差分容量分析(DCA)深度解读电池老化机制

供稿:hz-xin.com     日期:2025-01-17
锂离子电池以其高电压、高能量密度和长循环寿命而闻名。然而,与所有可充电电池一样,电池的充放电过程会导致其性能下降,包括电池容量、结构稳定性、循环寿命和安全性等方面。

电池退化表现为内阻增加、容量减少和自放电增加。要研究电池退化及其来源,可以使用EC-Lab电池工艺中的新型电池分析工具:“增量容量分析”(ICA)或“差分容量分析”(DCA)。循环通常采用低速率(即C/24)。

“微分容量”曲线是通过微分容量Q与电压e得到的,其定义如下式所述:

其中,Qt、Et为在给定时间t下测量的容量和电压值。Qt-1、Et-1是在之前的时间t-1中测量到的容量和电压值。

商用2.5 Ah LiFePO4电池在室温下以3.6 V和2.0 V的恒定电流C/25速率充电/放电。充/放电过程是在一个使用ECLab®10.21软件的MPG2电池循环单元上进行的。

充放电程序执行如下:

结果

2.5 A.h电池的充放电如下如图2所示。

充放电数据由EC-Lab®10.21的电池分析部分提供的过程数据工具进行处理。在工艺数据窗口中,检查d(Q-Q0)/dE、Q充电和Q放电框。图3显示了用于计算差分容量dQ/dE的流程数据窗口。

可以绘制差分容量曲线相对于电压或电荷Q或相对于其他参数。文献中使用的直流曲线的主要表现形式是dQ/dE与E(图4a)或E与dQ/dE(图4b)。这些曲线是根据LiFePO4的充电/放电数据绘制的。

作为电势函数的差分电容(DC)提供了关于充电/放电过程中的结构转变的信息。DC曲线的优点是E与Q电荷曲线中的平稳期可以在dQ/dE与E曲线中表现为明显可识别的峰值。这些峰值与电极材料的相变有关。

图4b中的曲线显示了四个主要峰:放电期间的两个峰(左峰)和电荷期间的两个峰(右峰)。每个峰对应于电压与电荷曲线上的一个平坦平台,表明每个平台中有两个相共存。

阴极曲线和阳极曲线的出现提供了关于电极反应的可逆性的信息。绘制微分容量dQ/dE与循环次数的关系图,可以观察到从一个循环到下一个循环的峰值的任何变化(幅度、宽度等),并有助于检测长测试循环中的退化。

总结

最近在EC-Lab®中引入的差分(增量)容量分析(DCA或ICA)过程提供了一个快速和强大的工具,可以很好地理解插入电极材料降解的机制和动力学。这种降解可能与副反应或在电极材料内发生的反应有关。

DCA工具将E与t/E与Q曲线上的电压平稳期转换为清晰可识别的峰值。这些主要与电极材料的相变有关的峰是容易利用的。

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