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前 言

產(chǎn)氣是電池在制程以及使用過程中不可避免的現(xiàn)象，如化成產(chǎn)氣、循環(huán)產(chǎn)氣、過充過放產(chǎn)氣、存儲(chǔ)產(chǎn)氣等，在不同的工況條件下對(duì)產(chǎn)氣量以及產(chǎn)氣成分的要求也不同，其中，存儲(chǔ)產(chǎn)氣測(cè)試是為了模擬電芯在擱置存放階段的性能穩(wěn)定性，能夠幫助研發(fā)人員更好的優(yōu)化材料和電芯設(shè)計(jì)。

另外，隨著高容量硅基負(fù)極材料的快速發(fā)展，硅基表面改性和元素?fù)诫s等技術(shù)雖然能顯著提升能量密度，但若表面堿性殘留和包覆不完整，會(huì)使其在勻漿過程中與溶劑反應(yīng)產(chǎn)生氣體，影響極片涂敷質(zhì)量，因此，硅基負(fù)極材料也需要評(píng)估其在溶劑中的產(chǎn)氣性能。

傳統(tǒng)測(cè)試存儲(chǔ)產(chǎn)氣的方法通常采用烘箱存儲(chǔ)一定時(shí)間后，人工取出電芯到自制天平裝置上進(jìn)行單點(diǎn)體積測(cè)量，操作示意圖如圖1所示，這種非原位方法改變了電芯的實(shí)時(shí)環(huán)境和狀態(tài)，會(huì)造成以下幾個(gè)問題：

1.需要多臺(tái)設(shè)備組合完成實(shí)驗(yàn)：如烘箱、電壓表、天平、滿充存儲(chǔ)補(bǔ)電設(shè)備等；

2.電芯在轉(zhuǎn)移過程中有溫度變化，影響產(chǎn)氣體積；

3.電芯體積測(cè)量需要人工手動(dòng)記錄和整理，存在數(shù)據(jù)抄寫錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)；

圖1.非原位存儲(chǔ)產(chǎn)氣測(cè)試流程圖

元能科技推出一款原位多通道存儲(chǔ)產(chǎn)氣測(cè)試系統(tǒng)，如圖2所示，可實(shí)現(xiàn)在同一臺(tái)設(shè)備中進(jìn)行多溫度存儲(chǔ)、電壓測(cè)試、體積測(cè)試和數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄的功能，與傳統(tǒng)方法的功能對(duì)比如表1所。原位集成方法讓存儲(chǔ)產(chǎn)氣測(cè)試So easy!

圖2.原位多通道存儲(chǔ)產(chǎn)氣示意圖

表1.傳統(tǒng)方法與MSG2000功能對(duì)比表

1. 產(chǎn)氣體積測(cè)量原理

結(jié)合牛頓定理（公式1）和阿基米德浮力定律（公式2），通過專用傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得待測(cè)樣品在硅油里的拉力，進(jìn)一步換算得到電芯體積（公式3）。

其中重力加速度g為9.8m/s2，ρ硅油為0.971g/ml（25℃）。

2. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備: 型號(hào)MSG2000（IEST元能科技），測(cè)試溫度范圍：室溫~100℃，油浴鍋數(shù)量可選配，設(shè)備外觀如圖3所示。

圖3.MSG2000設(shè)備外觀圖

3. 存儲(chǔ)產(chǎn)氣測(cè)試案例

3.1 三元電芯存儲(chǔ)產(chǎn)氣測(cè)試

為了進(jìn)一步提升高鎳三元材料的電化學(xué)性能和存儲(chǔ)穩(wěn)定性，通常要對(duì)其進(jìn)行不同方式的改性，如摻雜或包覆。如圖4是一組三元電芯的3個(gè)平行樣在70℃條件下存儲(chǔ)72天的體積和電壓變化趨勢(shì)，經(jīng)過高溫存儲(chǔ)，電芯的體積增加13%左右，電壓從4.35V降至4.1V，說(shuō)明NCM三元材料在高溫下存在結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，與電解液發(fā)生副反應(yīng)產(chǎn)氣氣體，后續(xù)可不斷優(yōu)化三元材料的高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖4.三元電芯存儲(chǔ)過程體積和電壓變化曲線

3.2 極片產(chǎn)氣測(cè)試

電池在存儲(chǔ)和使用過程中易產(chǎn)氣，區(qū)分正極側(cè)產(chǎn)氣和負(fù)極側(cè)產(chǎn)氣，對(duì)于探究產(chǎn)氣原因以及改善產(chǎn)氣行為都有重大意義。如圖5為兩個(gè)滿充的平行樣電芯，一個(gè)電芯拆解出正負(fù)極極片后，分別加入足量的電解液封裝，并測(cè)試其在65℃存儲(chǔ)時(shí)的產(chǎn)氣行為，另一個(gè)電芯直接測(cè)試存儲(chǔ)產(chǎn)氣行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)負(fù)極側(cè)產(chǎn)氣量要明顯高于正極側(cè)產(chǎn)氣量。

圖5.LFP/Gr體系100%SOC時(shí)極片及電芯產(chǎn)氣

3.3 硅基漿料產(chǎn)氣測(cè)試

硅基材料比容量高，但體積膨脹量大，首次效率，業(yè)界通常采用表面改性、元素?fù)诫s、預(yù)鋰化等改性手段降低其體積膨脹提升首次效率，然而這些改性過程中會(huì)伴隨著不穩(wěn)定因素，例如表面堿性和包覆不完整會(huì)導(dǎo)致納米硅暴露出來(lái)，并在制漿過程中與氫氧根離子反應(yīng)產(chǎn)氣，造成涂布過程加工問題。如圖6：三種不同改性工藝的硅基材料，用同一配方制作成漿料并測(cè)試其隨時(shí)間的產(chǎn)氣變化情況，發(fā)現(xiàn)A方案產(chǎn)氣量最少，說(shuō)明改性方案A要優(yōu)于其它兩種改性方案。

圖6.不同改性工藝硅基漿料產(chǎn)氣

4. 總結(jié)

本文使用元能科技的多通道存儲(chǔ)產(chǎn)氣（MSG2000）測(cè)試了硅基漿料產(chǎn)氣、極片產(chǎn)氣以及電芯產(chǎn)氣，實(shí)現(xiàn)從材料層級(jí)到極片層級(jí)再到電芯層級(jí)的全方位的產(chǎn)氣表征，可助力材料及電芯研發(fā)。