电池存储产气测试So easy!

前 言

产气是电池在制程以及使用过程中不可避免的现象，如化成产气、循环产气、过充过放产气、存储产气等，在不同的工况条件下对产气量以及产气成分的要求也不同，其中，存储产气测试是为了模拟电芯在搁置存放阶段的性能稳定性，能够帮助研发人员更好的优化材料和电芯设计。

另外，随着高容量硅基负极材料的快速发展，硅基表面改性和元素掺杂等技术虽然能显著提升能量密度，但若表面碱性残留和包覆不完整，会使其在匀浆过程中与溶剂反应产生气体，影响极片涂敷质量，因此，硅基负极材料也需要评估其在溶剂中的产气性能。

传统测试存储产气的方法通常采用烘箱存储一定时间后，人工取出电芯到自制天平装置上进行单点体积测量，操作示意图如图1所示，这种非原位方法改变了电芯的实时环境和状态，会造成以下几个问题：

1.需要多台设备组合完成实验：如烘箱、电压表、天平、满充存储补电设备等；

2.电芯在转移过程中有温度变化，影响产气体积；

3.电芯体积测量需要人工手动记录和整理，存在数据抄写错误风险；

图1.非原位存储产气测试流程图

元能科技推出一款原位多通道存储产气测试系统，如图2所示，可实现在同一台设备中进行多温度存储、电压测试、体积测试和数据自动记录的功能，与传统方法的功能对比如表1所。原位集成方法让存储产气测试So easy!

图2.原位多通道存储产气示意图

表1.传统方法与MSG2000功能对比表

1. 产气体积测量原理

结合牛顿定理（公式1）和阿基米德浮力定律（公式2），通过专用传感器实时测得待测样品在硅油里的拉力，进一步换算得到电芯体积（公式3）。

其中重力加速度g为9.8m/s2，ρ硅油为0.971g/ml（25℃）。

2. 实验设备与测试方法

实验设备: 型号MSG2000（IEST元能科技），测试温度范围：室温~100℃，油浴锅数量可选配，设备外观如图3所示。

图3.MSG2000设备外观图

3. 存储产气测试案例

3.1 三元电芯存储产气测试

为了进一步提升高镍三元材料的电化学性能和存储稳定性，通常要对其进行不同方式的改性，如掺杂或包覆。如图4是一组三元电芯的3个平行样在70℃条件下存储72天的体积和电压变化趋势，经过高温存储，电芯的体积增加13%左右，电压从4.35V降至4.1V，说明NCM三元材料在高温下存在结构不稳定，与电解液发生副反应产气气体，后续可不断优化三元材料的高温结构稳定性。

图4.三元电芯存储过程体积和电压变化曲线

3.2 极片产气测试

电池在存储和使用过程中易产气，区分正极侧产气和负极侧产气，对于探究产气原因以及改善产气行为都有重大意义。如图5为两个满充的平行样电芯，一个电芯拆解出正负极极片后，分别加入足量的电解液封装，并测试其在65℃存储时的产气行为，另一个电芯直接测试存储产气行为，结果发现负极侧产气量要明显高于正极侧产气量。

图5.LFP/Gr体系100%SOC时极片及电芯产气

3.3 硅基浆料产气测试

硅基材料比容量高，但体积膨胀量大，首次效率，业界通常采用表面改性、元素掺杂、预锂化等改性手段降低其体积膨胀提升首次效率，然而这些改性过程中会伴随着不稳定因素，例如表面碱性和包覆不完整会导致纳米硅暴露出来，并在制浆过程中与氢氧根离子反应产气，造成涂布过程加工问题。如图6：三种不同改性工艺的硅基材料，用同一配方制作成浆料并测试其随时间的产气变化情况，发现A方案产气量最少，说明改性方案A要优于其它两种改性方案。

图6.不同改性工艺硅基浆料产气

4. 总结

本文使用元能科技的多通道存储产气（MSG2000）测试了硅基浆料产气、极片产气以及电芯产气，实现从材料层级到极片层级再到电芯层级的全方位的产气表征，可助力材料及电芯研发。

5. 往期文章