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鋰離子電池作為一種有效的電能存儲設(shè)備，具有能量密度高、比功率大、輸出電壓高、自放電小、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于電動汽車、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。但其在電化學(xué)循環(huán)過程中，由于鋰離子的脫嵌過程會導(dǎo)致電極材料的體積膨脹和收縮，且電池內(nèi)部伴有產(chǎn)氣、產(chǎn)熱現(xiàn)象發(fā)生，均會導(dǎo)致電池整體發(fā)生變形，而這種形變尤以厚度方向?yàn)橹?。由于電池?nèi)部鋰濃度分布不均，會導(dǎo)致電芯膨脹時(shí)的應(yīng)力呈不均勻分布的現(xiàn)象。目前，針對鋰離子電池應(yīng)力的測量，一般只能測量電芯或模組的整體膨脹力，而少見測量電芯不同位置的膨脹力的分布情況。本文使用薄膜壓力傳感器實(shí)現(xiàn)原位監(jiān)控電芯表面不同位置在充放電過程中的膨脹力變化。

圖1.鋰離子電芯在滿充時(shí)對應(yīng)的鋰濃度及應(yīng)力應(yīng)變分布模擬1

測試信息 

· 測試設(shè)備：原位膨脹分析儀，型號SWE2110（IEST元能科技），可施加壓力范圍50~10000N，如圖2所示。搭配壓力分布薄膜（0~2MPa）測試電芯不同位置的膨脹力分布。

圖2.原位膨脹分析儀示意圖

· 測試參數(shù)：電芯信息如表1所示。

表1.電芯信息

· 測試流程：將電芯置于原位膨脹分析儀測試腔中，設(shè)置充放電參數(shù)：擱置60min，充電0.75C，截止電流0.05C，擱置10min, 放電0.75C，截止電壓3.0V，同步開啟原位膨脹分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)控電芯膨脹力變化曲線。

測試結(jié)果 

對電芯在恒間隙模式下充放電三圈，同步采集電芯最大膨脹力曲線，如圖3所示。隨著鋰離子不斷從正極脫出并嵌入負(fù)極，導(dǎo)致負(fù)極結(jié)構(gòu)膨脹，壓力不斷上升，充電結(jié)果峰值壓力125.3kg。放電時(shí)鋰離子從負(fù)極脫出回到正極，負(fù)極結(jié)構(gòu)不斷收縮，壓力不斷降低，放電結(jié)束時(shí)壓力為56.9kg。如下圖3所示。

圖3.電芯充放電電壓和壓力變化曲線

進(jìn)一步分析電芯表面不同位置的膨脹力變化，我們把電芯劃分為如圖4所示的小單元，每一個小單元處對應(yīng)一個壓力傳感器， 同步采集電芯充放電過程中每個位置的膨脹力變化曲線。

圖4.電芯小單元區(qū)域劃分

整個充放過程中各區(qū)域單元受力變化的熱力圖如圖5所示，顏色越深代表膨脹力越大。隨著SOC的增加，電芯中間區(qū)域的膨脹力可看到明顯的增加，放電時(shí)，SOC逐漸降低，各區(qū)域?qū)?yīng)的膨脹力又逐漸降低，總體變化趨勢與圖3一致，電芯應(yīng)力呈現(xiàn)中間強(qiáng)四周弱，這可能與鋁塑膜熱封口邊緣本身對電池有一定的限制作用，電池在充放電過程中邊緣厚度膨脹比較小，另外還與卷繞電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān) ，同時(shí)膨脹力的變化也會受電芯收尾處貼膠以及極耳厚度影響。

圖5.電芯不同區(qū)域隨SOC變化的熱力圖

對第二次循環(huán)充電的零電態(tài)和滿電態(tài)對應(yīng)的膨脹力分布進(jìn)一步詳細(xì)分析，如圖6所示，雖然邊緣處的初始膨脹力小于中間區(qū)域，但是滿充后的膨脹變化率卻是邊緣處最大，這可能與卷繞電芯的拐角處更容易應(yīng)力堆積或者析鋰有關(guān)。

圖6.零電態(tài)與滿電態(tài)各區(qū)域小單元受力分布（相對值）

選取部分小區(qū)域單元膨脹力曲線如圖7所示。從不同位置的膨脹力曲線的絕對值來看，邊緣位置1、5、11處，膨脹力的絕對值是最小的，這可能與電芯初始表面不平，因此邊緣處的初始受力更小，尤其是靠近極耳的位置11，基本上在充放電過程中也沒有檢測到明顯的膨脹力變化，說明此位置基本沒有接觸到壓力傳感器。電池各區(qū)域應(yīng)力分布不均勻可能還與卷芯內(nèi)部的形變過程有關(guān)。在恒間隙模式下，充電時(shí)電池厚度膨脹，厚度膨脹對夾具形成作用力，夾具保持恒定間隙相當(dāng)于對電池施加了一定的壓力，在壓力作用下，卷芯內(nèi)部可能會發(fā)生褶皺和卷曲，如圖8所示，導(dǎo)致各個區(qū)域受力不均勻。

圖7.部分區(qū)域小單元膨脹力變化曲線

圖8.電池內(nèi)部的形變過程示意圖⁴

實(shí)驗(yàn)總結(jié) 

本文采用原位膨脹分析儀（SWE）表征NCM體系電芯在充放電過程中的應(yīng)力分布特征，進(jìn)一步分析各小區(qū)域單元變化趨勢，可定量表征出電芯表面的應(yīng)力分布差異，為電芯應(yīng)力分析提供更深層次的視角，可助力技術(shù)人員分析電芯內(nèi)應(yīng)力分布、探究失效電芯原因、開發(fā)更安全更可靠的電芯。

參考文獻(xiàn) 

1.Yanan Wang, Hua Li, Zhengkun Wang, Chen Lian, Zongfa Xie. Factors affecting stress in anode particles during charging process of lithium ion battery, Journal of Energy Storage, 43(2021)103214.

2.Anna Tomaszewska, Zhengyu Chu, Xuning Feng, et al. Lithium-ion battery fast charging: A review，eTransportation, 1 (2019) 100011.

3.Yongkun Li, Chuang Wei, Yumao Sheng, Feipeng Jiao, and Kai Wu. Swelling Force in Lithium-Ion Power Batteries，Ind. Eng.Chem. Res，2020, 59, 27, 12313–12318.

4.Ali M Y, Lai W J, Pan J. Computational models for simulations of lithium-ion battery cells under constrained compression tests, Journal of Power Sources, 2013, 242:325-340.