LGM50圆柱21700 电池拆解分析

LGINR21700 M50电池规格如下：

n典型容量: 5000mAh

n额定电压: 3.63V

n充电方法: CC-CV

n充电电压: 4.20±0.05V

n标准可持续充电电流: 1455mA

n标准充电截止电流: 50mA

n放电截止电压: 2.50V

n可持续标准放电电流: 970mA    

n最大可持续放电电流

n-30 ~ -20° C: 970mA

n-20 ~ +5° C: 1455mA

n+5 ~ +45° C: 7275mA

n+45 ~ +60° C: 7275mA

n重量: 68.0±1.0g

n最大尺寸: D-21.10mm, L-70.15mm

n存储温度: -20 ~ +45° C

对该电池进行拆解分析，流程如图1所示。电池放电状态下拆解，测量极片尺寸，观测极片微观形貌，对电极组成进行分析，然后再将电极组装成半电池和三电极电池，测试电化学性能。电池实际重量68.3g，不包括壳体的重量为57g。

图1  电池拆解分析示意图         

电池极片尺寸如图2和图3所示，负极一侧存在2.5cm宽的未涂敷区，焊接极耳，负极另一侧未涂敷区8.5cm。负极极片总长度86cm，一侧涂敷层长83.5cm，另一层涂覆层长度77.5cm。负极极片宽度6.5cm。    

图2  负极极片尺寸         

正极极片总长度80cm，距离一端60cm的中间区域存在未涂敷区域，焊接极耳。正极宽度也是6.5cm。实际上负极的宽度和长度都需要比正极略大。这里实际的极片宽度应该负极更大一点，或者正极更小一点。         

图3  正极极片尺寸         

正、负极极片表面和截面的形貌如图4所示，通过FIB-SEM技术获取一系列极片截面形貌，正、负极极片三维重构形貌如图5所示。从图中大概可以看出正极是球形颗粒，负极主要是片状石墨和小颗粒硅基负极。

图4  正、负极极片形貌         

图5  正极和负极FIB-SEM三维重构形貌         

通过对SEM照片中活性颗粒的尺寸数据，正极NMC、负极石墨和硅基颗粒的粒径分布如图6所示，三者平均粒径分别为5.22 µm（NMC正极）、5.86 µm（石墨负极）和1.52 µm（硅基负极）。

图6  活性颗粒粒径分布：(a) 正极NMC，（b）负极石墨，(c)负极硅    

表1提供了拆解的LGM50电池中负极和正极的详细几何参数，包括：正极和负极的长度分别为79/79 mm和77.5/83.5 mm，宽度均为6.5 cm？；正极和负极的涂覆面积分别为1027 cm²和1046.5 cm²；正极和负极的单侧厚度分别为75.6 µm和85.2 µm；电流收集器的厚度分别为16 µm（铝，正极）和12 µm（铜，负极）；电极载荷分别为24.69 mg/cm²和14.85 mg/cm²；平均粒径分别为5.22 µm（NMC正极）和5.86 µm（石墨负极）；电解质体积分数（孔隙率）分别为33.5%（正极）和25%（负极）；电极的迂曲度（L/A）分别为4.8（正极）和14.25/13.93（负极）；Brüggemann常数分别为2.43（正极）和2.92/2.90（负极）。             

表1  电池参数

如图7和图8以及表2和表3所示，LGM50电池的正极极片由NMC 811材料组成，电极中还包括碳纤维。具体来说，正极材料的化学分析表明其为NMC 811正极。通过能量色散X射线光谱（EDS）分析，正极材料中镍、钴、锰和铝元素在表面和粒子内部均有发现，且原子比为Ni: Mn: Co: Al = 82.9: 5.1: 10.6: 1.4。此外，正极材料的铝元素，可能来源于正极材料的添加剂或集流体。通过电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）分析，正极材料的原子比为Li: Ni: Mn: Co: Al = 82.4: 78.7: 5.5: 9.8: 5.9，表明正极材料是一种富含镍的NMC材料，具有特定的化学计量比和掺杂元素以提高稳定性通过元素分析确定的正极材料为Li_0.833Ni_0.80Mn_0.08Co_0.08Al_0.04O₂。锂元素的比例实际上可能和荷电状态有关。    

图7  正极极片形貌，显示其中包含碳纤维导电剂

图8  正极扫描电镜照片和EDS元素分析，镍 (红色), 钴(绿色), 锰 (蓝色)         

表2  正极EDS分析元素比例

表3 正极元素EDS分析和ICP分析

负极成分分析如图9和图10以及表4所示，LGM50电池的负极极片是由石墨和SiOx组成的双组分材料。         

图9  负极扫描电镜照片和EDS元素分析，碳 (红色), 硅(绿色), 氧 (蓝色)  

图10  负极整体扫描电镜照片和EDS元素分析，碳 (红色), 硅(绿色) 

表4  负极EDS分析元素比例

隔膜形貌如图11所示，LGM50电池中的隔膜为陶瓷涂层聚烯烃隔膜，具有大约12微米的厚度，并且通过密度测试确认其为陶瓷涂层而非普通的聚烯烃膜，其SEM图像显示了隔膜的聚合物网状结构和陶瓷涂层。    

图11  隔膜聚合物侧和陶瓷涂层侧形貌     

参考资料：Chen, Chang-Hui, Ferran Brosa Planella, Kieran O’Regan, Dominika Gastol, W. Dhammika Widanage, and Emma Kendrick. 2020. "Development of Experimental Techniques for Parameterization of Multi-scale Lithium-ion Battery Models." Journal of The Electrochemical Society 167 (8): 080534.

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