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鋰離子電芯在充放電過程中的膨脹行為有兩種表現(xiàn)形式：厚度和應力，準確測量膨脹厚度和膨脹力，有助于優(yōu)化電芯設計和提升電池在使用過程中的安全性能1-3。恒間隙模式的傳統(tǒng)測試方法是采用一個鋼板夾具，將電芯固定在壓板中間，用螺栓固定上下壓板的位置，在上壓板處安裝一個力傳感器來監(jiān)控壓力變化，但此方法很難保證測試時上下壓板間隙恒定，有時間隙會產(chǎn)生幾十甚至幾百微米的波動，如圖1所示，紅色曲線表示在電芯充放電過程中，傳統(tǒng)夾具的間隙變化產(chǎn)生了65um左右的波動；恒壓力模式的傳統(tǒng)測試方法是在電芯表面放置恒定重物，但很難自由調(diào)節(jié)不同的壓力4-7?；谝陨蠁栴}，我們采用一種自動壓力和位移控制系統(tǒng)來準確控制測試壓力和間隙，實現(xiàn)真正的恒壓力與恒間隙測試模式，如圖1中的綠色曲線代表恒間隙模式下SWE測試系統(tǒng)的間隙幾乎無變化。原位膨脹測試系統(tǒng)SWE結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1. 傳統(tǒng)測試方法與SWE測試系統(tǒng)恒間隙模式厚度控制對比

圖2. 原位膨脹測試系統(tǒng)SWE結(jié)構(gòu)示意圖

實驗設備與測試方法

1、實驗設備：原位膨脹分析儀，型號SWE2110（IEST元能科技），設備外觀如圖3所示。

圖3. SWE2110設備外觀圖

2.   測試信息

2.1 電芯信息如表1所示。

表1. 測試電芯信息

2.2 充放電流程：25℃ Rest 5min; 0.5C CC to 4.35V, CV to0.025C; rest 5min; 0.5C DC to 3.0V。

2.3 電芯恒壓力模式測試：在SWE2110軟件上選擇“恒壓力”模式，設置施加壓力為10kg，開始測試，軟件自動讀取電芯厚度、厚度變化量、壓力、測試溫度、電流、電壓、容量等數(shù)據(jù)。

2.4 電芯恒間隙模式測試：在SWE2110軟件上選擇“恒間隙”模式，設置初始狀態(tài)對應的壓力為10kg，開始測試，軟件自動讀取電芯厚度、厚度變化量、壓力、測試溫度、電流、電壓、容量等數(shù)據(jù)。

原位分析軟包電芯膨脹行為

1.   充放電過程電芯膨脹厚度和膨脹力曲線

       由圖4電芯充放電曲線以及厚度和膨脹力曲線可知，充電時，電芯膨脹力和膨脹厚度均增加，滿充時電芯膨脹力達到約160kg，電芯厚度膨脹約2%，放電時，電芯膨脹力和膨脹厚度均減小。充電和放電過程的厚度和力的曲線變化并未完全對稱，說明存在不可逆厚度和應力殘留。

圖4（a）充放電過程中的電壓和電流變化；（b）充放電過程中的膨脹厚度和力變化

2.   充放電過程電芯膨脹厚度和膨脹力與微分容量曲線分析

        圖5為電芯膨脹厚度和膨脹力與微分容量曲線，微分容量曲線的每個峰對應脫嵌鋰的相變，由圖可知，在充電時，出現(xiàn)第一個陽極嵌鋰峰時，厚度和力曲線斜率也對應增大，后續(xù)每個脫嵌鋰峰都對應厚度和力曲線斜率的變化，說明正是由于發(fā)生了正負極結(jié)構(gòu)相變才導致電芯膨脹厚度和膨脹力變化。

圖5（a）膨脹力與微分容量曲線；（b）膨脹厚度與微分容量曲線      

總結(jié) 

       本文采用原位膨脹分析儀（SWE），對軟包電芯在恒壓力和恒間隙模式下，實時監(jiān)控充放電過程中的膨脹厚度和膨脹力的變化，可發(fā)現(xiàn)膨脹厚度和膨脹力曲線與充放電過程的結(jié)構(gòu)相變有關(guān)。鋰電研發(fā)人員可采用該原位分析方法對不同體系和生產(chǎn)工藝的電芯進行膨脹行為分析，從而設計更優(yōu)性能的電芯。

參考資料

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