硅基体系电池及其膨胀表征方法

元能科技：苏宇

锂电池的容量小耗电快，对于汽车而言为里程焦虑，反映出传统石墨电极能量密度较低。中国制造计划希望逐步提升电极的能量密度。

负极能够储存的最大电量显示出最大的能量上限。硅氧负极和硅碳负极是两种有潜力的硅基材料，其他的硅基材料很难商业化。

纳米化可以抑制粉化，复合化能减小体积膨胀，粘结剂抑制膨胀。提前补充锂粉可以提升首效性。

对于膨胀力的分析

对极片和电芯层级表征硅负极的膨胀行为。

有特殊的压杆和弹簧的结构件，传递出电池的受力状态。

红色为膨胀曲线，蓝色为电压曲线；充电膨胀，放电收缩。硅碳负极平均膨胀量为4.35微米，硅氧为2.78微米。

随着硅含量的增大，电阻会增大，影响整体电导率。硅氧负极电阻远远大于硅碳负极。

改性后的B材料的基线不可逆副反应累计更小。

将电芯放在两个钢板之间。

两款硅碳电芯的化成行为，前期的膨胀量相近，后期高硅含量的软包电池膨胀更明显。膨胀曲线和嵌锂深度有影响。随之硅含量的增加，嵌锂相变更低。

单圈的充放电，高硅电芯的膨胀明显。随着硅的增加，会有嵌锂相变，会释放更多的容量，膨胀也会随之增大。

同一种正负极材料，不同的粘结剂对单圈的影响很大。

5%含硅量的不可逆膨胀积累比3%的更高。30个循环前，膨胀变化量和容量保持率基本相同，30圈以后高硅电极迅速衰减。长循环老化后期有更多容量衰减。第一圈和第五十圈，相同嵌锂相变容量有所衰减。相同的峰位向高电压偏转。

恒压力的不同，进行单圈的充放电、右图红色的虚线，膨胀与嵌锂有强相关关系。

压力膜上红色越深，压力越大，应力主要集中在极耳中。0%SOC有不可逆膨胀力存在。