原位分析软包电芯体积与厚度膨胀行为-LFP/石墨体系电芯

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当电芯在充放电过程中发生脱嵌锂相变时，会引起厚度和体积的膨胀。在之前的公众号文章中我们介绍了两种原位测试三元/石墨电芯体积膨胀和厚度膨胀的方法，本文采用相同的测试流程对LFP/石墨电芯进行膨胀测试，由于LFP材料为橄榄石结构，在充放电过程中只有一个很稳定的平台，且结构膨胀较小，因此LFP/石墨电芯结构膨胀主要与石墨负极的脱嵌锂平台有关。石墨的不同阶结构的转换如图1所示^1-2，每个阶对应的厚度和体积膨胀进行对比，可指导研发人员进一步理解膨胀机理。

图1.石墨结构示意图¹

实验设备与测试方法

1. 实验设备：

1.1 原位体积监控仪，型号GVM2200（IEST元能科技），测试温度范围20℃~85℃，支持双通道（2个电芯）同步测试，设备外观如图2所示。

图2. GVM2200设备外观图

1.2 原位膨胀分析仪，型号SWE2110（IEST元能科技），设备外观如图3所示。

图3. SWE2110设备外观图

2. 测试流程：

2.1 电芯信息如表1所示。

表1. 测试电芯信息

2.2 充放电流程：25℃Rest 5min; 0.5C CC to 3.65V, CV to 0.025C; rest 5min; 0.5C DCto 2.5V。

2.3 电芯体积膨胀测试：对电芯进行初始称重m0，将待测电芯放入设备对应通道，开启MISG软件，设置各通道对应电芯编号和采样频率参数，软件自动读取体积变化量、测试温度、电流、电压、容量等数据。

2.4 电芯厚度膨胀测试：将待测电芯放入设备对应通道，开启MISS软件，设置各通道对应电芯编号和采样频率参数，软件自动读取电芯厚度、厚度变化量、测试温度、电流、电压、容量等数据。

原位分析软包电芯膨胀行为

1. 充放电过程电芯膨胀厚度和膨胀力曲线

图4（a）和（b）为电芯充放电曲线以及厚度和体积变化曲线。满充时，电芯体积和厚度均增加约1%，且在对应的充放电电压平台处会出现厚度和体积基本不变的平台。电芯经过一圈的充放电，厚度和体积基本保持不变，说明此时电芯不存在明显的不可逆膨胀现象。

图4. (a)充放电过程中的电压和体积变化；

(b)充放电过程中膨胀厚度和膨胀体积变化

2. 充放电过程电芯膨胀体积和膨胀厚度与微分容量曲线分析

图5为电芯膨胀体积和膨胀厚度与微分容量曲线，微分容量曲线的每个峰对应脱嵌锂的相变。由于LFP材料在整个脱嵌锂过程中仅有一个电压平台，因此，在该电芯的微分容量曲线上看到的三个峰均为石墨的三个不同阶的脱嵌锂峰。由图可知，充电时，在石墨的第一个嵌锂峰LiC₂₄相变和第三个LiC₆处，对应的体积和厚度曲线的斜率是较大的，说明此时的相变导致的石墨结构膨胀较大。

图5. (a)膨胀体积与微分容量曲线；(b)膨胀厚度与微分容量曲线

3. 充放电过程不可逆性膨胀分析

不同SOC条件下的体积和厚度膨胀曲线如图6（a）和（b）。充电和放电对应的膨胀曲线的间距代表了不可逆膨胀。放电过程的厚度膨胀量均大于充电过程的厚度膨胀量，两个过程的体积膨胀曲线在低SOC区间与厚度膨胀曲线规律一致，而高SOC区间没有明显的差异，这可能是由于测试体积膨胀时采用的阿基米德浮力定律，若高SOC条件下出现一些轻微的产气也会被监测到。因此，若研究人员只想研究电芯的结构膨胀，可优先考虑采用厚度膨胀测量方式，若想研究一些产气反应，可优先考虑采用体积膨胀测量方式。