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鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于生活的方方面面，比如手機(jī)、汽車或者家用儲(chǔ)能等，因此對(duì)鋰離子電池的各類性能評(píng)估也顯得尤為重要。我們知道鋰電池在充放電過程中會(huì)發(fā)生膨脹或收縮，因此在設(shè)計(jì)鋰電池模組時(shí)，膨脹參數(shù)是必須要考慮的重要參數(shù)之一。此外，隨著高比容量的新一代負(fù)極的出現(xiàn)（例如硅基負(fù)極或者鋰金屬負(fù)極），其結(jié)構(gòu)膨脹比常規(guī)的石墨負(fù)極要明顯得多^[1,2]，因此越來(lái)越多的企業(yè)將注意力聚焦到了對(duì)鋰電池的膨脹性能評(píng)估上。

通常，研究者們必須要將極片制備成單層或多層的成品電芯才能進(jìn)行膨脹評(píng)估，該方法測(cè)試周期長(zhǎng)，評(píng)估效率低，占用資源多，嚴(yán)重影響新材料的開發(fā)進(jìn)程。元能科技近期創(chuàng)新性地利用模型扣電對(duì)電池極片的膨脹行為進(jìn)行評(píng)估，大大縮短了材料膨脹性能的評(píng)估周期，并能夠?yàn)楦咝；蚱髽I(yè)節(jié)省大量制備電芯的人力與物力。對(duì)于這款模型扣電，用戶最關(guān)心的便是它的循環(huán)效率與傳統(tǒng)鋼殼扣電是否具有可比性，以及模型扣電測(cè)出來(lái)的膨脹厚度變化與成品電芯的可比性。為此，這篇文章基于這兩個(gè)方面給出了相應(yīng)的比對(duì)數(shù)據(jù)，便于用戶進(jìn)行評(píng)估與選擇。

1.測(cè)試條件

1.1 測(cè)試設(shè)備：本文采用元能科技的模型扣式電池，并配合硅基負(fù)極膨脹原位快篩系統(tǒng)（RSS1400, IEST元能科技）進(jìn)行扣電與軟包電池的充放電測(cè)試與膨脹測(cè)試。

圖1.硅基負(fù)極膨脹原位快篩系統(tǒng)（RSS1400）

1.2 充放電測(cè)試條件：

①使用元能科技的模型扣電組裝NCM//Li的扣式半電池與NCM//SiC的扣式全電池，并以01C的倍率進(jìn)行3圈的循環(huán)充放電，方便后續(xù)和商用鋼殼扣電以及單層軟包疊片電池進(jìn)行性能對(duì)比；

②使用商用2032鋼殼扣電組裝NCM//Li的扣式半電池，并以01C的倍率進(jìn)行3圈的循環(huán)充放電；

③組裝NCM//SiC的單層軟包疊片電池，并以01C的倍率進(jìn)行3圈的循環(huán)充放電。

1.3 電芯膨脹測(cè)試條件：將NCM//SiC的模型扣式全電池與單層軟包疊片電池放置于硅基負(fù)極膨脹原位快篩系統(tǒng)（RSS1400, IEST）中，施加5kg的初始預(yù)緊力后，在01C充放電過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控二者的膨脹厚度變化。

2.結(jié)果分析

2.1 元能科技模型扣電與商用2032鋼殼扣電的充放電效率對(duì)比

圖2左圖為元能科技的模型扣電，右圖為商用2032鋼殼扣電。我們使用相同尺寸與成分的三元正極組裝成對(duì)鋰片的扣式半電池，并對(duì)比二者在01C充放電倍率下的庫(kù)倫效率，結(jié)果如表1所示。從中可以看出，模型扣電的首效約為89.13%，僅比商用鋼殼扣電低了約0.718%，而第二圈和第三圈的循環(huán)效率最大也僅比商用鋼殼扣電低了約1.28%。此外，模型扣電與鋼殼扣電三圈的循環(huán)效率COV最大僅為0.65% （其中COV=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值*100，一般情況下，若COV<5%，則表明二者的重復(fù)性與再現(xiàn)性較為良好），因此可以認(rèn)為元能科技的模型扣電與商用鋼殼扣電具有相近的循環(huán)充放電性能！

圖2.左圖為元能科技的模型扣電；右圖為商用2032鋼殼扣電。

表1.NCM//Li的模型扣式半電池與商用鋼殼扣電的循環(huán)效率對(duì)比

2.2 元能科技模型扣電與軟包電池的膨脹厚度對(duì)比

圖3左圖為元能科技的模型扣電，右圖為單層軟包疊片電池。二者使用相同成分的三元正極與硅碳負(fù)極組裝成全電池，并在01C充放電過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控二者的膨脹厚度變化，其中二者的電壓曲線與厚度膨脹曲線如圖4所示，具體的全電池循環(huán)效率以及膨脹厚度對(duì)比分別如表2和表3所示。從圖4中可以看出，無(wú)論是充放電過程中的電壓曲線，還是厚度膨脹曲線，模型扣電與軟包疊片電池均表現(xiàn)出良好的一致性，其中從表2中可以看出，模型扣電與軟包疊片電池的首效分別為41.82%和42.42%，而后兩圈的循環(huán)效率最大僅差0.12%；而從表3中可以看出，二者3圈的厚度膨脹率COV也都在3.5%以內(nèi)，表明二者的厚度膨脹率也具有良好的一致性。

圖3.左圖為元能科技的模型扣電；右圖為單層軟包疊片電池。

圖4. 藍(lán)色虛、實(shí)線分別為模型扣電的電壓曲線與厚度膨脹曲線；

橙色虛、實(shí)線分別為單層軟包疊片電池的電壓曲線與厚度膨脹曲線

表2.NCM//SiC的模型扣式全電池與單層軟包疊片電池的循環(huán)效率對(duì)比

表3.NCM//SiC的模型扣式全電池與單層軟包疊片電池的膨脹厚度對(duì)比

3.總結(jié)

本文對(duì)元能科技（廈門）有限公司的模型扣電進(jìn)行了充放電性能評(píng)估與膨脹厚度評(píng)估，從結(jié)果中可以看到，模型扣電的循環(huán)充放電效率與商用2032鋼殼扣電基本一致，而3圈循環(huán)過程中的厚度膨脹率也與單層軟包疊片電池的測(cè)試結(jié)果基本一致，表明元能科技的模型扣電具有良好的循環(huán)充放電效率與膨脹評(píng)估效果。本文推薦使用硅基負(fù)極膨脹原位快篩系統(tǒng)（RSS1400, IEST）配合該款模型扣電使用，其厚度膨脹測(cè)試精度為0.1μm，分辨率可達(dá)0.01μm，對(duì)脫嵌鋰相變引起的細(xì)微厚度變化具有良好的檢測(cè)與分辨能力，助力新型低膨脹、高容量負(fù)極材料的開發(fā)！

4.參考資料

[1] J. Lin, L. Wang, Q.S. Xie, Q. Luo, D.L. Peng, C. B. Mullins and A. Heller, Stainless Steel-Like Passivation Inspires Persistent Silicon Anodes for Lithium-Ion Batteries. Angew. Chem. 135 (2023) e202216557.

[2] M. Ashuri, Q.R. He and L.L. Shaw, Silicon as a potential anode material for Li-ion batteries: where size, geometry and structure matter. Nanoscale 8 (2016) 74–103.