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前言

鋰離子電池充放電過(guò)程中，正負(fù)極材料不斷脫嵌鋰造成顆粒體積變化，并伴隨著電芯厚度變化，同時(shí)隨著電芯的老化，伴隨著SEI膜增厚、產(chǎn)氣、析鋰等也會(huì)使電芯厚度增加。若電芯被限制于固定空間內(nèi)（實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景），則會(huì)對(duì)此空間外壁產(chǎn)生一定的作用力（膨脹力），此膨脹力會(huì)影響電芯的循環(huán)性能及安全性。一般地，限制電芯空間的構(gòu)件具有一定地剛度，自身也會(huì)發(fā)生一定形變，比如電池包的外殼或模組的緊固件。以彈簧為例說(shuō)明剛度的概念，彈簧的剛度K定義為彈簧受力F與其變形δ的比值，即K=F/δ。一般地認(rèn)為剛度k是一個(gè)常量，假設(shè)電池包外殼為金屬板，限制電池在固定空間內(nèi)。金屬板厚度為H，彈性模量為E，金屬板面積為A，如果在變形δ下，所需要的力為F，則有：

金屬板應(yīng)變?yōu)椋害?δ/H；

金屬板應(yīng)力為：σ=Eε=Eδ/H；

施加在金屬板上的力為：F=Aσ=AEδ/H；

那么，金屬板的剛度為：K=F/δ=AE/H。

因此，剛度的大小取決于零件或結(jié)構(gòu)件的幾何形狀（如金屬板的厚度H和面積A）和材料種類（即材料的彈性模量E）。

元能科技（廈門）有限公司推出的原位膨脹分析儀（SWE）具備恒壓力和恒間隙測(cè)試模式，在恒定壓力作用下監(jiān)控電芯的厚度演變或者在限定恒定位移間隙下監(jiān)控壓力的變化。這兩種模式能夠有效地檢測(cè)電池的膨脹過(guò)程，但是沒(méi)有考慮實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下結(jié)構(gòu)件本身的形變。因此，在快速模擬不同限制程度對(duì)電芯性能影響方面，元能科技（廈門）有限公司的原位膨脹分析儀（SWE）推出一款新的控制模式（線性膨脹模式）：通過(guò)調(diào)控線性度K值（壓力與厚度比值）大小，實(shí)現(xiàn)模擬不同剛度邊界對(duì)電芯的束縛，同時(shí)原位監(jiān)控壓力、厚度、電性能等參數(shù)。本文選取了兩個(gè)不同K值和恒間隙模式實(shí)驗(yàn)，并對(duì)比分析了三者之間對(duì)電芯壽命影響差異。

 一、測(cè)試信息 

1. 測(cè)試設(shè)備：

原位膨脹分析儀，型號(hào)SWE2110（IEST元能科技），可施加壓力范圍50~10000N，可調(diào)控溫度-20℃~80℃。設(shè)備外觀如圖1所示。

圖1.原位膨脹分析儀示意圖

2. 測(cè)試參數(shù)：

2.1 電芯信息如表1所示。

表1.電芯信息

2.2 充放電流程：25℃ 擱置10min；1.0C充電至4.2V，到達(dá)截止電壓后繼續(xù)恒壓充電，截止電流0.05C；擱置10min, 放電1.0C，截止電壓3.0V，同步開(kāi)啟原位膨脹分析儀，軟件自動(dòng)讀取電芯膨脹厚度、膨脹力、電流、電壓、容量等數(shù)據(jù)。

2.3 線性膨脹模式說(shuō)明：K值單位kg/mm，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置值為500kg/mm和2000kg/mm，從而模擬不同幾何形狀和彈性模量的電池空間限制結(jié)構(gòu)件場(chǎng)景下電池的膨脹過(guò)程；K值調(diào)控只在電芯充放電過(guò)程時(shí)啟用。電芯擱置過(guò)程中可設(shè)置恒壓力模式或者恒間隙模式。本次實(shí)驗(yàn)線性膨脹模式啟動(dòng)閥值為厚度變化大于3μm并且壓力變化大于0.5kg，電芯擱置過(guò)程中設(shè)置恒間隙模式。

 二、結(jié)果分析 

選取三個(gè)平行電芯，啟動(dòng)原位膨脹分析系統(tǒng)，選擇相應(yīng)測(cè)試模式（恒間隙 、線性模式）實(shí)驗(yàn)，設(shè)置初始預(yù)緊力100kg，同步實(shí)時(shí)測(cè)試厚度、壓力及電性能參數(shù)，當(dāng)電芯容量衰減至初始容量80%時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。如圖2所示：恒間隙模式下限定了電池的膨脹空間，間隙控制在±1μm范圍內(nèi)，隨循環(huán)進(jìn)行膨脹力不斷增加；線性膨脹模式模擬限制電池空間的結(jié)構(gòu)件存在一定剛度值(比如不同厚度和材質(zhì)的金屬板)，在循環(huán)過(guò)程膨脹力及膨脹厚度都實(shí)時(shí)的變化，更加貼近實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。并且，隨著線性膨脹系數(shù)（K值）改變，膨脹力和膨脹厚度呈現(xiàn)不同量的變化。當(dāng)K=2000時(shí)，相當(dāng)于結(jié)構(gòu)件剛度大，即相同幾何形狀時(shí)彈性模量大，結(jié)構(gòu)件本身的變形量更小，因此電池膨脹時(shí)壓力更高。而當(dāng)K=500時(shí)，相當(dāng)于結(jié)構(gòu)件剛度更小，即彈性模量小，結(jié)構(gòu)件本身的變形量更大，因此電池膨脹時(shí)厚度變化會(huì)更大，則壓力更小。同時(shí)發(fā)現(xiàn)不同K值對(duì)設(shè)備調(diào)控響應(yīng)程度不同。從整體穩(wěn)定性角度K值為2000時(shí)穩(wěn)定性相對(duì)差些，所以目前K值設(shè)置建議在500~1000kg/mm范圍內(nèi)。

圖2.兩測(cè)試模式壓力&厚度變化趨勢(shì)

線性模式（K500）選取前5個(gè)cycle，分析電壓、壓力、厚度、K值隨時(shí)間關(guān)系如圖3所示：隨著充放電進(jìn)行，電芯壓力和厚度均呈現(xiàn)周期性變化，壓力和厚度線性度明顯。這說(shuō)明可以模擬K=500剛度值的限制結(jié)構(gòu)件實(shí)際場(chǎng)景下電池的膨脹與收縮過(guò)程。

圖3.電壓、壓力、厚度、K值變化曲線（前5cycle）

若把電芯膨脹厚度和膨脹力與容量保持率關(guān)聯(lián)，提取每個(gè)循環(huán)過(guò)程中最大的壓力和厚度變化，如圖4所示（實(shí)線容量保持率，虛線為壓力和厚度）：隨著電芯老化，采用線性膨脹模式電芯最大膨脹力整體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，最大膨脹厚度呈現(xiàn)變大趨勢(shì)；采用恒間隙模式電芯膨脹力呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，并且膨脹力值在三模式中最大。電芯外部壓力增加會(huì)提升活性材料與隔膜之間的相對(duì)密度和接觸面積，也會(huì)減少界面電阻以及減小界面一些副反應(yīng)，同時(shí)也會(huì)改變極片孔隙大小及孔隙率等極片參數(shù)影響電芯充放電時(shí)離子傳輸能力。線性模式（K500）和恒間隙模式下容量保持率曲線出現(xiàn)“拐點(diǎn)”，這部分機(jī)理還需要更深入分析驗(yàn)證與外部壓力的關(guān)聯(lián)性。

圖4. a) 容量保持&最大膨脹力曲線

b) 容量保持&最大膨脹厚度變化曲線

若進(jìn)一步分析各模式首圈（BOL）循環(huán)和末圈(EOL)循環(huán)，如圖5所示：線性模式EOL最大膨脹力均小于BOL，而恒間隙則相反，這說(shuō)明不同的控制方式對(duì)最大膨脹力影響很大。另外也可以對(duì)比EOL最大膨脹厚度與BOL的初始厚度之間的差距，從而關(guān)聯(lián)模組PACK中緩沖棉的厚度的選擇，保證模組整個(gè)生命周期都有合適的機(jī)械強(qiáng)度。

圖5.三種模式BOL和EOL電芯膨脹力&膨脹厚度曲線

（實(shí)線為厚度，虛線為壓力）

 三、小結(jié) 

本文采用原位膨脹分析儀（SWE2110）的線性模式，模擬不同剛度的材質(zhì)對(duì)電芯束縛，監(jiān)測(cè)整個(gè)生命周期中膨脹厚度及膨脹力的變化，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加貼近真實(shí)工況，助力設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)更加合適的方案。

 四、參考資料 

[1]梁浩斌,杜建華,郝鑫,等.鋰電池膨脹形成機(jī)制研究現(xiàn)狀[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2021.DOI:10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0358.

[2] Wuensch M , Kaufman J , Sauer D U .Investigation of the influence of different bracing of automotive pouch cells on cyclic liefetime and impedance spectra[J].The Journal of Energy Storage, 2018, 21(FEB.):149-155.DOI:10.1016/j.est.2018.11.019.

[3]張軍,曾云路,鄒舜章,等.軟包鋰電池在適當(dāng)壓力下的膨脹及壽命研究[J].電源技術(shù), 2019, 43(10):4.DOI:CNKI:SUN:DYJS.0.2019-10-020.