作者資訊及文章摘要
2020年，Jan-PatrickSchmiegel等人透過在鋰離子軟包電池上安裝一個取氣裝置（GSP），原位實現對電池不同充電時間、不同電壓狀態、不同SOC等的氣體成分分析。
樣品製備和測試裝置
- 電芯資訊：NCM-811/人造石墨體系，在鋁塑膜封裝時加入GSP裝置，如圖2所示；
圖2.電池組裝流程示意圖
- 電化學測試流程：電池先在1.5V恆壓20h，然後進行化成步驟，待化成後抽出氣袋中的氣體重新封裝後再進行一圈的迴圈，在整個過程定期分析氣體成分。
- 原位取氣裝置介紹：如圖3所示，在電池的側邊鋁塑膜袋邊緣採用熱壓的方式密封GSP取氣裝置。
圖3.取氣裝置示意圖
- 原位氣體成分分析：採用GC-BID裝置，混合200μL高純氬氣，在電池每到一個CV步驟時取出5μL氣體進行成分分析，如圖4為取氣過程示意圖。
圖4.取氣過程示意圖
- 原位電池體積測量：採用阿基米德浮力法，透過對處於液體裡的電池的拉力的測量實時監測電池在整個化成過程中的體積變化值。
- 帶取氣裝置的軟包電池氣密性驗證：如圖5所示，對GSP電池和空白對照組進行迴圈容量監測，發現二者的容量曲線僅相差1 mAh，這說明GSP電池的氣密性較好。
圖5.兩種電池迴圈容量對比
結果分析
- 電化學效能分析
圖6對比了兩種電池迴圈一圈過程中的微分容量曲線，均在約3V左右出現一個反應峰，該峰是EC在負極表面還原效能SEI的反應。圖7對初始填充1mL氬氣電池的體積變化量進行連續監控四天，發現只有約22μL的誤差，這個誤差可能來源於噪聲訊號而不是體積變化，說明電池的氣密性很好。
圖6.兩種電池迴圈一圈過程中的微分容量曲線
圖7.帶GSP的電芯四天儲存過程中電芯體積變化
- 化成容量階段產氣機理分析
對是否含有FEC新增劑的電解液體系電芯對比分析化成容量過程中不同電壓位置的氣體成分，如圖8所示，在虛線對應的位置取氣分析氣體成分，且對比微分容量曲線可發現，加入FEC後，電池在3V左右的反應峰減小了，且對比充電過程不同電壓處的氣體成分，發現加入FEC後電池產生的氣體中CO、C2H4和C2H6含量明顯減小，且對比產氣體積量也同樣表現處含FEC的電芯產氣量更少。
圖8.兩種是否含有FEC電池的化成容量曲線及對應的取氣電壓 及微分容量曲線差異
圖9.兩種電解液體系的電池充電不同電壓的氣體成分曲線
圖10.兩種電解液體系的電池充電不同電壓的產氣體積對比
總結
本文采用GPS取氣裝置組裝在鋰離子軟包電池中實現原位產氣成分分析，可以實時監控化成容量過程不同電壓位置產氣成分，用於指導深入分析產氣機理。
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參考文獻
Jan-Patrick Schmiegel, Marco Leißing, et al. NovelIn Situ Gas Formation Analysis Technique Using a Multilayer Pouch Bag LithiumIon Cell Equipped with Gas Sampling Port. Journal of The ElectrochemicalSociety, 2020 167 060516.
