原位分析硅碳體系電芯膨脹性能-化成過程

化成是電池生產過程必不可少的一個重要環節，在化成過程中，負極界面先形成SEI，然後鋰離子穿過SEI嵌入負極顆粒內部，這兩個過程都會引起負極的厚度膨脹，而形成SEI會伴隨有氣體的產生，造成電池體積發生膨脹，由於電池化成時會使用夾具給極片部分施加一定的壓力，因此產生的氣體會被擠壓到電池側邊的空鋁塑膜袋中。硅碳負極在化成時，同樣會因爲成膜和嵌鋰過程使電池的厚度明顯增加，且由於硅負極的體積膨脹較大，電池整體膨脹厚度會隨着硅含量的增高而增高。本文對注液後的電池進行恆壓力條件下的厚度膨脹測試，觀察不同硅碳比例的負極膨脹行爲。

圖1.不同比例Si/C復 合電極膨脹對比

1.實驗設備與測試方法

1.1實驗設備：原位膨脹分析儀，型號SWE2110（IEST元能科技），設備外觀如圖2所示。

圖2. SWE2110設備外觀圖

1.2測試流程

1.2.1 電芯信息如表1所示。

表1. 測試電芯信息

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

1.2.3 電芯厚度膨脹測試：將待測電芯放入設備對應通道，開啓 MISS 軟件，設置各通道對應電芯編號和採樣頻率參數，軟件自動讀取電芯厚度、厚度變化量、測試溫度、電流、電壓、容量等數據。

2.原位分析硅碳體系電芯化成膨脹行爲

圖3（a）爲電芯化成時的充電曲線以及厚度膨脹曲線，在充電過程中，電芯的厚度逐步增加，這主要與化成過程的成膜及負極嵌鋰有關，硅含量高的800Si/C的總膨脹厚度要大於硅含量低的450Si/C的膨脹厚度。對比圖3（b）中的微分容量曲線和厚度膨脹曲線，在出現峰的位置，厚度曲線也明顯出現了拐點，硅含量高的800Si/C的嵌鋰電位要早於450Si/C，且峰強也大於450Si/C，這說明負極中硅含量越高，鋰離子在嵌入負極形成LixSi合金導致的膨脹越大，且會影響石墨的嵌鋰相變電位。

圖3 電芯化成曲線以及厚度膨脹曲線

3.總結

本文采用原位膨脹分析儀（SWE）對不同克容量的硅碳體系電芯進行化成過程厚度膨脹分析，發現隨着硅碳負極克容量的增大，電芯的膨脹厚度也增大，這主要與形成硅碳合金時硅結構膨脹有關，研發人員應合理調控硅碳比例及修飾硅基材料結構來抑制結構膨脹。

參考文獻

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