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前言

鋰離子電池充放電過程中，正負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，同時隨著電芯的老化，伴隨著SEI膜增厚、產氣、析鋰等也會使電芯厚度增加。若電芯被限制于固定空間內（實際應用場景），則會對此空間外壁產生一定的作用力（膨脹力），此膨脹力會影響電芯的循環性能及安全性。一般地，限制電芯空間的構件具有一定地剛度，自身也會發生一定形變，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。一般地認為剛度k是一個常量，假設電池包外殼為金屬板，限制電池在固定空間內。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：

金屬板應變為：ε=δ/H；

金屬板應力為：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構件的幾何形狀（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試模式，在恒定壓力作用下監控電芯的厚度演變或者在限定恒定位移間隙下監控壓力的變化。這兩種模式能夠有效地檢測電池的膨脹過程，但是沒有考慮實際應用場景下結構件本身的形變。因此，在快速模擬不同限制程度對電芯性能影響方面，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）：通過調控線性度K值（壓力與厚度比值）大小，實現模擬不同剛度邊界對電芯的束縛，同時原位監控壓力、厚度、電性能等參數。本文選取了兩個不同K值和恒間隙模式實驗，并對比分析了三者之間對電芯壽命影響差異。

 一、測試信息 

1. 測試設備：

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

圖1.原位膨脹分析儀示意圖

2. 測試參數：

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，到達截止電壓后繼續恒壓充電，截止電流0.05C；擱置10min, 放電1.0C，截止電壓3.0V，同步開啟原位膨脹分析儀，軟件自動讀取電芯膨脹厚度、膨脹力、電流、電壓、容量等數據。

2.3 線性膨脹模式說明：K值單位kg/mm，本實驗設置值為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構件場景下電池的膨脹過程；K值調控只在電芯充放電過程時啟用。電芯擱置過程中可設置恒壓力模式或者恒間隙模式。本次實驗線性膨脹模式啟動閥值為厚度變化大于3μm并且壓力變化大于0.5kg，電芯擱置過程中設置恒間隙模式。

 二、結果分析 

選取三個平行電芯，啟動原位膨脹分析系統，選擇相應測試模式（恒間隙 、線性模式）實驗，設置初始預緊力100kg，同步實時測試厚度、壓力及電性能參數，當電芯容量衰減至初始容量80%時停止實驗。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，隨循環進行膨脹力不斷增加；線性膨脹模式模擬限制電池空間的結構件存在一定剛度值(比如不同厚度和材質的金屬板)，在循環過程膨脹力及膨脹厚度都實時的變化，更加貼近實際應用場景。并且，隨著線性膨脹系數（K值）改變，膨脹力和膨脹厚度呈現不同量的變化。當K=2000時，相當于結構件剛度大，即相同幾何形狀時彈性模量大，結構件本身的變形量更小，因此電池膨脹時壓力更高。而當K=500時，相當于結構件剛度更小，即彈性模量小，結構件本身的變形量更大，因此電池膨脹時厚度變化會更大，則壓力更小。同時發現不同K值對設備調控響應程度不同。從整體穩定性角度K值為2000時穩定性相對差些，所以目前K值設置建議在500~1000kg/mm范圍內。

圖2.兩測試模式壓力&厚度變化趨勢

線性模式（K500）選取前5個cycle，分析電壓、壓力、厚度、K值隨時間關系如圖3所示：隨著充放電進行，電芯壓力和厚度均呈現周期性變化，壓力和厚度線性度明顯。這說明可以模擬K=500剛度值的限制結構件實際場景下電池的膨脹與收縮過程。

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聯，提取每個循環過程中最大的壓力和厚度變化，如圖4所示（實線容量保持率，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減小趨勢，最大膨脹厚度呈現變大趨勢；采用恒間隙模式電芯膨脹力呈現增加趨勢，并且膨脹力值在三模式中最大。電芯外部壓力增加會提升活性材料與隔膜之間的相對密度和接觸面積，也會減少界面電阻以及減小界面一些副反應，同時也會改變極片孔隙大小及孔隙率等極片參數影響電芯充放電時離子傳輸能力。線性模式（K500）和恒間隙模式下容量保持率曲線出現“拐點”，這部分機理還需要更深入分析驗證與外部壓力的關聯性。

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

若進一步分析各模式首圈（BOL）循環和末圈(EOL)循環，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，這說明不同的控制方式對最大膨脹力影響很大。另外也可以對比EOL最大膨脹厚度與BOL的初始厚度之間的差距，從而關聯模組PACK中緩沖棉的厚度的選擇，保證模組整個生命周期都有合適的機械強度。

圖5.三種模式BOL和EOL電芯膨脹力&膨脹厚度曲線

（實線為厚度，虛線為壓力）

 三、小結 

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對電芯束縛，監測整個生命周期中膨脹厚度及膨脹力的變化，使實驗結果更加貼近真實工況，助力設計人員設計更加合適的方案。

 四、參考資料 

[1]梁浩斌,杜建華,郝鑫,等.鋰電池膨脹形成機制研究現狀[J].儲能科學與技術, 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.軟包鋰電池在適當壓力下的膨脹及壽命研究[J].電源技術, 2019, 43(10):4.DOI:CNKI:SUN:DYJS.0.2019-10-020.