原位分析硅碳体系电芯膨胀性能-化成过程

2021-10-29 来源：未知

化成是电池生产过程必不可少的一个重要环节，在化成过程中，负极界面先形成SEI，然后锂离子穿过SEI嵌入负极颗粒内部，这两个过程都会引起负极的厚度膨胀，而形成SEI会伴随有气体的产生，造成电池体积发生膨胀，由于电池化成时会使用夹具给极片部分施加一定的压力，因此产生的气体会被挤压到电池侧边的空铝塑膜袋中。硅碳负极在化成时，同样会因为成膜和嵌锂过程使电池的厚度明显增加，且由于硅负极的体积膨胀较大，电池整体膨胀厚度会随着硅含量的增高而增高。本文对注液后的电池进行恒压力条件下的厚度膨胀测试，观察不同硅碳比例的负极膨胀行为。

图1.不同比例Si/C复合电极膨胀对比

1.实验设备与测试方法

1.1实验设备：原位膨胀分析仪，型号SWE2110（IEST元能科技），设备外观如图2所示。

图2. SWE2110设备外观图

1.2测试流程

1.2.1电芯信息如表1所示。

表1. 测试电芯信息

1.2.2 化成流程：25℃ Rest 5min; 0.01C CC 2min， 0.1C CC to 3.9V。

1.2.3 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。

2.原位分析硅碳体系电芯化成膨胀行为

图3（a）为电芯化成时的充电曲线以及厚度膨胀曲线，在充电过程中，电芯的厚度逐步增加，这主要与化成过程的成膜及负极嵌锂有关，硅含量高的800Si/C的总膨胀厚度要大于硅含量低的450Si/C的膨胀厚度。对比图3（b）中的微分容量曲线和厚度膨胀曲线，在出现峰的位置，厚度曲线也明显出现了拐点，硅含量高的800Si/C的嵌锂电位要早于450Si/C，且峰强也大于450Si/C，这说明负极中硅含量越高，锂离子在嵌入负极形成LixSi合金导致的膨胀越大，且会影响石墨的嵌锂相变电位。

图3 电芯化成曲线以及厚度膨胀曲线

3.总结

本文采用原位膨胀分析仪（SWE）对不同克容量的硅碳体系电芯进行化成过程厚度膨胀分析，发现随着硅碳负极克容量的增大，电芯的膨胀厚度也增大，这主要与形成硅碳合金时硅结构膨胀有关，研发人员应合理调控硅碳比例及修饰硅基材料结构来抑制结构膨胀。

参考文献

1. AndressaY. R. Prado, Marco-Tulio F. Rodrigues, Stephen E. Trask, Leon Shaw and DanielP. Abraham, Electrochemical Dilatometry of Si-Bearing Electrodes: DimensionalChanges and Experiment Design, Journal of The Electrochemical Society,167(2020) 160551.

2. PengLi, Hun Kim, Seung-Taek Myung, Yang-Kook Sun Diverting Exploration of SiliconAnode into Practical Way: A Review Focused on Silicon-Graphite Composite forLithium Ion Batteries. Energy Storage Materials, 35(2021)550-576.

3. SujongChae, Minseong Ko,Kyungho Kim, Kihong Ahn and Jaephil Cho. Confronting Issuesof the Practical Implementation of Si Anode in High-Energy Lithium-IonBatteries. Joule 1, 47–60, September 6, 2017.

晋龙木子科研笔记

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