【電解液用量對(duì)電池的影響】

在鋰離子電池生產(chǎn)工藝鏈中，注液工藝對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量和成本起著舉足輕重的作用，包括向電池中加入電解質(zhì)液體以及隨后潤濕電池組件的過程。電解液的加入量不僅影響電極和隔膜的潤濕率，而且影響著電池的容量和壽命，然而，過多的電解液會(huì)增加重量，導(dǎo)致較低的能量密度，不必要地增加了電池的成本。為了在保證生產(chǎn)成本低的同時(shí)，還要保證電池的質(zhì)量，慕尼黑工業(yè)大學(xué)Florian J. Günter等人研究了最佳的電解液用量，根據(jù)電化學(xué)阻抗譜、注液過程、老化過程和壽命試驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了方形電池的電解質(zhì)用量、潤濕速率、容量、能量密度和壽命之間的相互關(guān)系。（注：本文圖形下標(biāo)順序與原文保持一致）

圖1. 將電極作為電池組件對(duì)產(chǎn)品能量密度影響的指示器后，NMC電極在電池組件的工藝步驟中的份額變化，體積系數(shù)v_f表示電解質(zhì)的劑量。

從上表可以看出，電解液的滴加精度，老化后的電解質(zhì)量和電池容量、壽命試驗(yàn)中的電流相對(duì)應(yīng)，將密封壓力設(shè)置為3 bar，持續(xù)3秒，密封溫度為195°C。在對(duì)電池室進(jìn)行通風(fēng)后，電池在環(huán)境壓力下保持180分鐘，然后首次充電。在潤濕過程中，使用Gamry儀器界面5000E恒電位儀進(jìn)行電化學(xué)測量，該序列由開路電位（OCV）和EIS測量組成，并被編程為至少重復(fù)90分鐘，首先，用0.5秒的采樣周期測量OCV 15秒，隨后，恒電位以100 kHz的初始頻率啟動(dòng)，作為施加到電池的交流刺激信號(hào)。

潤濕階段以最小HFR（圖a）或潤濕速度最慢（圖b）結(jié)束，在EIS測量過程中，由于局部電解質(zhì)供應(yīng)過多，導(dǎo)致電路與非濕潤區(qū)域平行。在第二階段，電解質(zhì)液體被重新分配到剩余的孔中，但這些孔并不會(huì)同樣程度地充滿電解質(zhì)，濕潤過程中毛細(xì)力作用取決于孔隙半徑。因此，如果沒有足夠的電解質(zhì)存在，小孔中電解質(zhì)流體的體積分?jǐn)?shù)會(huì)增加，而較大孔的接觸角相同，第二階段是在所有細(xì)胞組分的孔隙之間達(dá)到力平衡（如毛細(xì)管力、氣體壓縮、重力等）時(shí)完成的。宏觀上看，電解質(zhì)液體的分布是均勻的，隨著時(shí)間的推移，HFR恒定，潤濕速度收斂到零。

圖3. 電池的可逆比容量和能量密度取決于壽命試驗(yàn)前三個(gè)循環(huán)（0.1 C、0.5 C、1 C）中的電解質(zhì)量。

從上圖中可以看出，當(dāng)電解液的量增加到vf 1.4時(shí)，電池的性能會(huì)提高，從而減少其壽命期間的容量損失，然而，進(jìn)一步增加電解液用量（vf 1.6-1.8），則在1 C下前200個(gè)循環(huán)中觀察到更大的容量損失。電池可以在某種程度上補(bǔ)償這種損失：即使650次循環(huán)后0.5 C時(shí)的容量再次高于vf 1.2，電池仍低于vf 1.4的性能。第一個(gè)周期內(nèi)容量損失的不良影響可歸因于VC過量，在循環(huán)過程中未消耗的添加劑生成CEI，直到耗盡。

圖5. 電池容量和放電電壓在1 C時(shí)壽命試驗(yàn)中，第1、100和500個(gè)循環(huán)中與電解液用量的關(guān)系。

文章詳情：Florian J. Günter,  Clemens Burgstaller, Fabian Konwitschny, and Gunther Reinhart. Influence of the Electrolyte Quantity on Lithium-Ion Cells. Journal of The Electrochemical Society. 2019. 166 (10) A1709-A1714. DOI: 10.1149/2.0121910jes

原文鏈接：http://jes./content/166/10/A1709 

【汽車鋰動(dòng)力電池的老化X射線成像分析】

隨著電動(dòng)汽車數(shù)量越來越多，電池組在電池壽命內(nèi)的耐久性是公眾關(guān)注的一個(gè)重要問題，它在很大程度上決定了汽車的價(jià)值。然而，要知道電池的確切健康狀態(tài)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，特別是由于對(duì)單個(gè)電池老化的理解不夠深入，并且老化性能取決于電池的化學(xué)性質(zhì)和設(shè)計(jì)。在本文中，德國赫爾姆霍茲研究所Egbert Figgemeier等人采用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT），對(duì)新的電池和老化后的電池電極進(jìn)行了對(duì)比，確定了電池因結(jié)構(gòu)變化引起的壽命問題。具有亞微米分辨率的X射線CT圖像，可以顯示出電極的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，并識(shí)別出材料的形態(tài)，從而可以對(duì)老化負(fù)極中孔隙率的降低的有機(jī)殘留物的沉積進(jìn)行了量化和可視化，以及檢測到正極顆粒的開裂和集流體的腐蝕現(xiàn)象。所有這些都是由老化效應(yīng)引起的，會(huì)嚴(yán)重影響電池容量和阻抗大小，而本文對(duì)鋰分布進(jìn)行定量分析，可以很好的解釋老化引起負(fù)極顆粒表面層中的可循環(huán)鋰的損失的問題。

上圖為電池在老化過程中的容量和電阻變化過程，當(dāng)電池的剩余容量小于額定容量的80%時(shí)，測試結(jié)束，可以看到，隨著時(shí)間的推移，阻抗不斷增大。

電池及其組件的尺寸如上圖所示，與大多數(shù)鋰離子電池一樣，負(fù)極比正極大，40 Ah電池的負(fù)極懸垂面積為8%，50 Ah電池的負(fù)極懸垂面積為7%。

圖3. 電池在不同SOH時(shí)鋰的分布狀態(tài)。

圖4. 負(fù)極處的SEM圖，從左至右依次為老化前的負(fù)極、老化后的負(fù)極以及老化后含有Al的負(fù)極。

上圖所示的切片圖像，與真實(shí)電極的三維圖像幾乎吻合，因此模擬可以用來確定孔隙率數(shù)據(jù)。在計(jì)算氣孔率之前，所有來自ZEISS Xradia 810 Ultra的納米CT圖像都被貼上標(biāo)簽，以區(qū)分這些片段，分割片段后，計(jì)算出孔隙面積以及顆粒面積。

圖7. 正極在老化前后的XRadia Ultra CT圖像。

上圖顯示了正極活性材料的厚度變化，老化前電極的厚度為139μm，老化電極的厚度為158μm。上圖左側(cè)的集流體在老化前和老化后具有相同的厚度，這一發(fā)現(xiàn)揭示了粒子的結(jié)構(gòu)變化對(duì)電極高度的影響。

文章詳情：Christiane Rahe, Stephen T. Kelly, Mansoureh Nourozi Rad, Dirk Uwe Sauer, Joachim Mayer, Egbert Figgemeier. Nanoscale X-ray imaging of ageing in automotive lithium ion battery cells. Journal of Power Sources. 2019. 433, 126631. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2019.05.039

原文鏈接：https:///10.1016/j.jpowsour.2019.05.039

【超高精度充放電系統(tǒng)，評(píng)估石墨負(fù)極的庫倫效率】

在本文中，日本京都大學(xué)Takahiro Yamaki等人開發(fā)了一種超高精度的充放電系統(tǒng)(UHP C/D)，可以精確地控制和測量充放電電流，利用該UHP C/D系統(tǒng)，作者發(fā)現(xiàn)石墨復(fù)合負(fù)極的庫侖效率與負(fù)載密度有很大關(guān)系。通過線性回歸法計(jì)算出不可逆承載力與荷載的關(guān)系，作者確定了兩種不可逆的承載力：一個(gè)與復(fù)合負(fù)載成比例，另一個(gè)與負(fù)載無關(guān)。這一結(jié)果表明，在充放電過程中，復(fù)合材料內(nèi)部和表面的副反應(yīng)速率是不同的。

上圖顯示了具有不同復(fù)合密度和負(fù)載電池的充電容量、放電容量和CE的循環(huán)結(jié)果，在圖中，第九次和第十次循環(huán)是在相同條件下使用不同的儀器進(jìn)行的（用于電化學(xué)阻抗測量），因此，這些循環(huán)的數(shù)據(jù)沒有顯示在圖1中。作者以1/20 C的充放電電流下進(jìn)行循環(huán)，并在第14和第16個(gè)循環(huán)時(shí)暫時(shí)停止，將電流分別更改為1/50 C和1/100 C繼續(xù)循環(huán)。

上圖為第六圈循環(huán)的CE與復(fù)合材料厚度的關(guān)系。可以看到，不同密度和負(fù)載下石墨負(fù)極的CEs差異非常小，例如，在第六個(gè)周期，CEs在99.62–99.67%范圍內(nèi)，因此，用典型的實(shí)驗(yàn)室充放電系統(tǒng)很難測量石墨復(fù)合負(fù)極CE對(duì)不同微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的依賴性，而本文的UHP C/D系統(tǒng)則能夠清楚地表明這些細(xì)微的差異。

上圖為具有不同復(fù)合密度和負(fù)載水平的電池在第1、第13、第15（1/50 C）和第17（1/100 C）圈時(shí)的CE。

圖4. A–B：電解質(zhì)濃度為0.3和2.0 mol dm^-3時(shí)電池的CE；C-D：CE對(duì)電解質(zhì)濃度的依賴性：低濃度和中等濃度。

圖5. A：以輕、中等密度負(fù)極為例時(shí)的dQ/dV曲線；B–G: 1/20C第六圈0.08–0.05V和1/100 C第17圈0.08–0.05V時(shí)的dQ/dV曲線。

圖6. 每種密度下電池不可逆容量（Qirr）的線性回歸計(jì)算。

 圖7. 石墨復(fù)合負(fù)極的示意圖（虛線粗線表示復(fù)合表面）。

圖8. 不可逆容量(Qirr)的線性回歸計(jì)算結(jié)果：(A):坡度；(B):截距。

文章詳情：Takahiro Yamaki, Yoshio Ukyo. Evaluation of coulombic efficiency of composite graphite anode by ultrahigh-precision charge/discharge system. Journal of Power Sources. 2019. 433, 126677. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2019.05.083

原文鏈接：https:///10.1016/j.jpowsour.2019.05.083

【布拉格光柵傳感器對(duì)鋰電池進(jìn)行高精度應(yīng)變監(jiān)測】

鋰離子電池在儲(chǔ)能應(yīng)用中有著廣闊的前景，而目前，發(fā)電站存在兩個(gè)主要問題：成本和安全，盡管成本問題正在逐步得到解決，但安全性一直是鋰離子電池大規(guī)模利用的挑戰(zhàn)。電池管理系統(tǒng)主要依靠電壓和電流監(jiān)測，是保證電池安全運(yùn)行的有效手段，同時(shí)，應(yīng)變也是電池狀態(tài)監(jiān)測的一個(gè)同樣重要的參數(shù)，它也可以提高電池的安全性和利用效率。因此，在本文中，西安交通大學(xué)Shuhai Jia等人提出了一種基于光纖布拉格光柵傳感器的高精度應(yīng)變監(jiān)測方法，該傳感器由光纖布拉格光柵組成，由于其具有靈敏度增強(qiáng)機(jī)制，因此比裸光纖布拉格光柵傳感器更靈敏。通過與裸光纖布拉格光柵傳感器的對(duì)比試驗(yàn)，證實(shí)了該傳感器在電池應(yīng)變監(jiān)測方面的性能，通過對(duì)應(yīng)變與荷電狀態(tài)/放電深度之間關(guān)系的研究表明，應(yīng)變隨著荷電狀態(tài)的增加而增加，隨著放電深度的增加而減小。該方法將來可以為電池管理系統(tǒng)提供動(dòng)力電池應(yīng)變數(shù)據(jù)。

圖1. 靈敏度增強(qiáng)型FBG傳感器的結(jié)構(gòu)：（a）組裝和分解圖；（b）靈敏度增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)。

圖2. 靈敏度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)圖：（a）杠桿結(jié)構(gòu)俯視圖；（b）杠桿結(jié)構(gòu)的簡化模型。

圖3. （a）初步模擬結(jié)果，（b）進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)果。

上圖為校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的設(shè)置和結(jié)果，箔計(jì)監(jiān)測板上的波長位移和應(yīng)變的平均數(shù)據(jù)如圖b所示，表明應(yīng)變和波長位移之間存在良好的線性擬合，傳感器的靈敏度為11.55 pm με^?1，是裸FBG（1 pm με^?1）靈敏度的11.55倍。隨機(jī)力測試驗(yàn)證了作者設(shè)計(jì)的FBG傳感器測量出的應(yīng)變與應(yīng)變計(jì)測量的應(yīng)變具有良好的一致性，證明了所設(shè)計(jì)的傳感器能夠提供準(zhǔn)確的應(yīng)變測量。

上圖為試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)布置

FBG傳感器的波長偏移如上圖所示，總體而言，充放電循環(huán)的平均靈敏度增強(qiáng)系數(shù)為11.69，也就是說，該傳感器的響應(yīng)比裸FBG傳感器的響應(yīng)大11.69倍。該結(jié)果與標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果非常接近，表明該傳感器的靈敏度是裸FBG的11.55倍，證實(shí)了作者提出的光纖光柵傳感器能夠高精度地監(jiān)測電池應(yīng)變。

上圖顯示了六種不同充放電模式下的結(jié)果，裸FBG的數(shù)據(jù)通常與我們在充放電過程中提出的傳感器數(shù)據(jù)相似，但在細(xì)節(jié)上存在一些差異。裸光纖光柵的應(yīng)變數(shù)據(jù)顯示了整個(gè)過程中有一些波動(dòng)，通過對(duì)這兩條曲線的比較，表明該傳感器具有較強(qiáng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性。

圖8. (a), (b)：1C重復(fù)充放電循環(huán)中的應(yīng)變與SOC和DOD之比；(c), (d)不同倍率充放電循環(huán)中的應(yīng)變與SOC和DOD之比。

文章詳情：Jun Peng, Xing Zhou, Shuhai Jia, Yiming Jin, Shouping Xu, Jizhong Chen. High precision strain monitoring for lithium ion batteries based on fiber Bragg grating sensors. Journal of Power Sources. 2019. 433, 226692. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2019.226692

原文鏈接：https:///10.1016/j.jpowsour.2019.226692

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