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前 言

鋰離子電池充放電過程中，電極材料膨脹、SEI生長、熱膨脹和產(chǎn)氣等現(xiàn)象可能會(huì)引發(fā)電池膨脹，從而引起體積變化。電池膨脹被認(rèn)為是評估電池容量和結(jié)構(gòu)衰退的關(guān)鍵指標(biāo)之一，也是對電池濫用期間發(fā)生燃燒和爆炸等嚴(yán)重安全事件的一種預(yù)警。方形和軟包電池已有成熟的方法來表征其膨脹行為，而圓柱電池由于本身結(jié)構(gòu)的特殊性，尚無成熟、穩(wěn)定的膨脹表征方法。目前，有一些方法來表征圓柱電池膨脹，例如游標(biāo)卡尺、三坐標(biāo)測試儀、壓力膜、應(yīng)變片、影像分析法(CT斷層掃描、中子成像、X射線、超聲波等)等方法測試，但這些方法存在精度低、無法原位測試等問題，無法準(zhǔn)確完整的描述圓柱電池的膨脹行為。

針對上述測試方法的不足，元能科技（廈門）有限公司基于光學(xué)的電池成像技術(shù)，開發(fā)了CCS1300-4圓柱電池原位膨脹測試系統(tǒng)，用于圓柱電池原位膨脹表征。該方法可以原位測試圓柱電池充放電過程中的體積變化，實(shí)時(shí)重構(gòu)電池的表面形貌并計(jì)算膨脹量，光學(xué)檢測精度可以達(dá)到±1μm。本文使用CCS1300-4圓柱電池原位膨脹測試系統(tǒng)對負(fù)極硅含量不同的兩款21700圓柱電池進(jìn)行測試，表征兩者在化成和充放電過程中的膨脹行為，分析不同硅含量對電池膨脹行為的影響，指導(dǎo)硅負(fù)極應(yīng)用和圓柱電池設(shè)計(jì)。

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備與測試方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本文使用CCS1300-4圓柱電池原位膨脹測試系統(tǒng)進(jìn)行21700圓柱電池膨脹表征，該設(shè)備包含4通道測試夾具及專用測試軟件。搭配充放電儀，可同時(shí)對4顆圓柱電池進(jìn)行原位膨脹測試。

 圖1.CCS1300-4圓柱電池原位膨脹測試系統(tǒng)

1.2 測試原理

如圖2所示，利用基于光學(xué)的電池體積成像技術(shù)，對電池充放電過程中的表面形貌進(jìn)行實(shí)時(shí)三維重構(gòu)，計(jì)算充放電過程中的體積及體積變化量。

 圖2.光學(xué)法測試圓柱電池膨脹原理示意圖

1.3 測試方法

將21700圓柱電池外層塑料膜去掉，安裝到設(shè)備夾具上，打開軟件，進(jìn)行充放電通道、采樣角度、警報(bào)溫度上限、警報(bào)體積上限設(shè)置。啟動(dòng)程序，電池旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行體積測試，軟件自動(dòng)將充放電數(shù)據(jù)與體積測試數(shù)據(jù)同步。

2.圓柱電池膨脹測試

選取負(fù)極硅含量不同的兩款21700 5Ah圓柱電池，測試兩者化成和充放電過程中的體積膨脹。

 表1.兩款21700圓柱電池信息

如圖3所示，負(fù)極中硅含量增加，化成過程中體積膨脹顯著增加，且微分容量曲線上嵌鋰對應(yīng)的峰值會(huì)越高，說明硅含量對圓柱電池體積膨脹影響比較大。化成過程中，硅碳負(fù)極是導(dǎo)致電池體積膨脹的主要原因，石墨嵌鋰后體積膨脹約10%，硅氧體積膨脹約120%。負(fù)極電極的整體體積膨脹是石墨和硅氧兩者膨脹體積的和，當(dāng)然極片的孔隙和粘結(jié)劑能夠容納一定的膨脹體積。因此，硅氧含量越高，電池表現(xiàn)出更大的體積膨脹。

 圖3.S1與S2化成膨脹曲線

對兩款電池進(jìn)行充放電測試，并對電池充放電過程中的表面形貌進(jìn)行實(shí)時(shí)三維重構(gòu)，得到整個(gè)充放電過程中電池表面形貌動(dòng)態(tài)變化圖。如圖4所示，充放電過程中電池體積膨脹顯著，且電池本身體積膨脹存在較大不均勻性。對比S1與S2發(fā)現(xiàn)，S2膨脹不均勻性高于S1，這種不均勻性差異應(yīng)該與兩顆電池內(nèi)部裸電芯結(jié)構(gòu)有關(guān)系。圓柱電池是由正負(fù)極片和隔膜以圓柱形方式卷繞的卷芯、焊接在電極上的極耳、絕緣墊、頂蓋和殼體等組裝而成的，電極上的極耳會(huì)造成卷芯厚度的不均勻性，各個(gè)零部件的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)等都會(huì)造成電池整體體積變化的不均勻性。此外，極片在膨脹和收縮過程中也會(huì)造成極片發(fā)生褶皺，引起不可逆的體積膨脹，這些極片褶皺引起的體積膨脹也會(huì)造成電池體積膨脹的不均勻性。

圖4.S1與S2充放電過程中表面形貌動(dòng)態(tài)變化圖

 圖5.圓柱電池各個(gè)部分組成示意圖

3.總結(jié)

本文利用CCS1300-4圓柱電池原位膨脹測試系統(tǒng)，測試了兩款負(fù)極不同硅含量的21700圓柱電池化成和充放電過程中的膨脹行為。測試發(fā)現(xiàn)，硅氧含量對圓柱電池體積膨脹影響非常顯著，且電池本身體積膨脹存在較大不均勻性。通過分析體積膨脹數(shù)據(jù)和表面形貌動(dòng)態(tài)變化圖，可以為硅負(fù)極材料的應(yīng)用和圓柱電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持，助力鋰離子電池研發(fā)及質(zhì)量管控。

4.參考文獻(xiàn)

1. Wenxuan Jiang, Haoran Li, Sicong Wang, Sa Wang and Wei Wang，Dynamic Volumography of Cylindrical Li-Ion Battery Cells by Watching Its Breath During Cycling，

2. Lubing Wang, Sha Yin, Jun Xu,A detailed computational model for cylindrical lithium-ion batteries under mechanical loading: From cell deformation to short-circuit onset,Journal of Power Sources,2019，413，284-292