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元能科技（廈門）有限公司
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1.前言
隨著新能源汽車的不斷發展，人們對車輛的續航里程和使用壽命提出了更高要求。如何在有限的空間內布置更多的電池，工程師們沿著“去掉模組和梁，革新空間利用率”的思路，將電芯本身既作為電能儲存體，又作為承重結構件，通過一系列努力最終制作出了刀片形狀的電芯。
刀片電池一般是磷酸鐵鋰材料制成的鋰離子電池。其獨特之處在于電池的形狀和尺寸，以及其生產工藝。刀片電池的形狀類似于刀片，因此得名。這種設計使得電池可以直接嵌入到電池組中，省去了傳統的電池模組，從而提高了能量密度和電池組的結構強度。
圖1.刀片電池和傳統電池組裝對比
刀片電池大概又可以分為兩類：長刀片電池，如比亞迪的長刀電池；以及短刀片電池，如蜂巢能源的短刀電池。據公開資料顯示，比亞迪的長刀電池其實本質還是一種方形硬殼電池，只是采用長薄型結構設計。外形尺寸為960.0±10 mm × 90.0±1.0 mm × 13.5＋2.5/-1.5 mm。不同的型號尺寸略有不同，比如138Ah規格的刀片電池厚度約為12mm，而202Ah的刀片電池厚度約為13.5mm。拆解后發現極片尺寸約為正極944 mm ×83mm，負極946mm ×85mm。而短刀電池長度也達到500mm以上，如573 mm × 117 mm × 21 mm。這種長而薄的電芯設計與制造也具有一些難點：（1）長薄型電芯的尺寸精確度要求較高，因為任何微小的尺寸偏差都可能影響電池的安全性和電化學性能；（2）長薄型電芯通常采用疊片工藝，這種工藝對制造精度和質量控制提出了更高的要求。疊片過程中需要保證每一層隔膜和電極片的對齊，以及整體的平整度，這中較長的極片對生產設備和工藝控制都是挑戰；（3）由于電芯的長薄形狀，其機械強度和耐久性也是一個設計難點。電芯在長期使用過程中會受到各種力的作用，包括膨脹產生的內部應力，因此需要具有一定剛度的殼體確保電芯的結構穩定性。
總之，刀片電芯與傳統的圓柱形和方形電芯相比，制造工藝更加嚴苛，采用多層“三明治”結構，其中正負極極片和隔膜層交替堆疊，但在堆疊的過程中容易產生氣泡，電芯不平整、使得電池內部壓力不均勻，影響其強度。因其特殊的工藝及結構，目前對于單體刀片類電芯的膨脹方面的機械性能表征較少，為此元能科技（廈門）有限公司一直致力于研發專用于表征刀片類電芯膨脹性能的高精設備。
2.設備功能及參數
元能科技（廈門）有限公司推出的SWE3500膨脹設備，可用于表征短刀類電芯膨脹行為，如圖2所示：主體結構由高硬度及高耐磨性的鋼材制成，保證機構穩定性及耐用性；測試壓板由高硬度絕緣材料制成，抗變形且提供絕緣保護；設備動力系統采用伺服電機精準調控，配合高精度位移傳感器、壓力傳感器全閉環實時監制調控，再結合充放電儀，實現原位表征電芯膨脹力和膨脹厚度的功能。同時還集成高低溫箱設計，可模擬-20~80℃的測試環境。
圖2.膨脹表征設備SWE3500
2.1 設備主要參數：
電芯兼容范圍(700-400mm)*(400~200mm)*100m（W*D*H）；
最大壓力5T，壓力傳感器精度0.3%F.S；
厚度傳感器分辨率 0.1μm；
控溫范圍：-20℃~80℃；
尺寸：1500x1700x2000mm。
2.2 設備測試模式：
恒壓力模式：電芯充放電過程中恒定壓力，測試電芯膨脹厚度變化；
恒間隙模式：電芯充放電過程中恒定間隙，測試電芯膨脹力變化；
穩態壓縮模式：評測靜態電芯應力-應變曲線。
3.應用案例
3.1 電芯信息：
3.2 充放電流程：
3.3 膨脹性能表征：
分別設置恒壓力1000kg，恒間隙1000kg測試電芯膨脹厚度和膨脹力，如下圖3所示：厚度和膨脹力變化曲線均隨電芯電壓曲線呈現規律性變化，并且兩曲線趨勢相似，都有LFP/Gr體系特有的“駝峰”現象。
圖3.電芯膨脹厚度和膨脹力隨電壓變化曲線
對靜態電芯施加不同的壓力，如圖4左圖（初始壓力50kg，以500kg步進增大直至5000kg后，再以500kg卸壓至50kg）,同時記錄電芯不同壓力下的厚度變化，得到電芯應力-應變曲線，如圖4右圖：此電芯受壓5000kg時最大形變量為1.71%，重新卸壓后不可逆反彈0.54%，從而計算可得此過程的可逆反彈為1.17%。
圖4.壓力控制曲線（左圖）電芯應力-應變曲線（右圖）
這種長薄型的刀片電池在電池散熱、電池包成組方面具有顯著優勢。但是，同樣需要注意電芯在設計與制造過程中的均勻性，由于刀片電池尺寸較長，生產過程中需要精確控制極片的制造和裝配過程，以確保電池內部結構的一致性。在整個生產流程中，從極片制造到注液等步驟，都需要嚴格的質量控制，以避免因生產不均導致的電池性能下降。長薄型的電芯在膨脹收縮過程中也容易出現內部應力不一致的情況，從而導致厚度的不均勻性。我們應該通過改進電芯的設計，更有效地管理內部應力。例如，優化殼體材料可以減少由于膨脹引起的應力集中。疊片過程中確保電極片和隔膜的質量和尺寸精度，以及它們之間的均勻壓合，有助于減少內部應力的不一致性。在組裝過程中對電芯施加合理分布的的預壓力，達到預先補償膨脹引起的應力，保持電芯的穩定。因此，我們需要更加全面系統地研究刀片電池的膨脹收縮過程，優化電芯和電池包的設計。元能科技（廈門）有限公司推出的專用于表征刀片類電芯膨脹性能的高精設備能夠為其提供表征裝置和方法，可有效改善工藝和設計合理性。
4.總結
元能科技推出大尺寸電芯膨脹力表征設備，可原位精準表征大尺寸電芯膨脹厚度、膨脹力、應力-應變等相關性能。幫助于工程師對正負極材料改性工藝的篩選，明確最佳改性工藝；加快電芯研發進度，研發更安全可靠的電芯；同時也可以摸索最佳的使用工況，提升電芯的使用壽命。
5.參考文獻
[1]“新能源電池包技術”公眾號：【刀片電池風云緣起】比亞迪刀片電池解析3.0；
[2]The Analysis on the Principle and Advantages of Blade Battery of BYD -- A Domestic New Energy Manufacturer，DOI：10.1051/shsconf/202214402003
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