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鋰離子電池作為一種有效的電能存儲(chǔ)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于電動(dòng)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(huì)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(huì)導(dǎo)致電池整體發(fā)生變形，而這種形變尤以厚度方向?yàn)橹鳌Ｓ捎陔姵貎?nèi)部鋰濃度分布不均，會(huì)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(duì)鋰離子電池應(yīng)力的測(cè)量，一般只能測(cè)量電芯或模組的整體膨脹力，而少見測(cè)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(duì)應(yīng)的鋰濃度及應(yīng)力應(yīng)變分布模擬1

測(cè)試信息 

· 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，如圖2所示。搭配壓力分布薄膜（0~2MPa）測(cè)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(cè)試參數(shù)：電芯信息如表1所示。

表1.電芯信息

· 測(cè)試流程：將電芯置于原位膨脹分析儀測(cè)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(cè)試結(jié)果 

對(duì)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(gè)小單元處對(duì)應(yīng)一個(gè)壓力傳感器， 同步采集電芯充放電過程中每個(gè)位置的膨脹力變化曲線。

圖4.電芯小單元區(qū)域劃分

整個(gè)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(shì)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(duì)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(huì)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(duì)第二次循環(huán)充電的零電態(tài)和滿電態(tài)對(duì)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(duì)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(duì)值來看，邊緣位置1、5、11處，膨脹力的絕對(duì)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(cè)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(duì)夾具形成作用力，夾具保持恒定間隙相當(dāng)于對(duì)電池施加了一定的壓力，在壓力作用下，卷芯內(nèi)部可能會(huì)發(fā)生褶皺和卷曲，如圖8所示，導(dǎo)致各個(gè)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(shì)，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) 

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