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電芯內壓測試so easy！一種“小而精”的測試系統

元能科技 2024-10-08 | 閱讀：1992

前言

電池內部壓力變化主要原因包括：（1）在鋰離子電池的充放電過程中，電極材料體積隨著鋰化和脫鋰而不斷波動，根據理想氣體狀態方程PV=nRT,對于固定外殼的圓柱或者方殼電池，電極材料體積變化導致內部氣體體積變化，從而導致內部氣體壓力的變化。（2）鋰離子電池內的異常副反應會產生氣體，從而導致更高的壓力，引發一系列安全問題。（3）內部氣體壓力的波動還受到電池內的熱效應的影響，根據PV=nRT，溫度變化時也會導致電池內部壓力變化。通常氣體壓力變化也可以分為兩類：由電極結構變化引起的可逆壓力變化和由副反應產氣引起的不可逆壓力變化。電池內部壓力的增加將加速電極的老化，最終降低電池的性能和壽命，并可能導致安全事故。因此，實時監測鋰離子電池內部氣體壓力可以給出電池內部反應的額外信息，既可以加深對電極材料體積如何變化的理解，又可以探索電池運行過程中電池內部副反應的機理。一般地，電池產氣測試的主要目的有如下幾個方面：

1、評估安全性：電池在異常工況下（如過充、過放、高溫等）可能會產生大量氣體，這些氣體如果未能及時排出或得到有效控制，可能會導致電池內部壓力驟增，進而引發漏液、膨脹、甚至爆炸等安全問題。因此，產氣測試的首要目的是評估電池在不同條件下的安全性能。

2、優化電池材料：不同的電池材料在化學反應過程中產生的氣體種類和量有所不同。通過產氣測試，可以分析出哪些材料組合更傾向于產生較少的有害氣體，或者能夠更有效地管理氣體產生，從而指導電池材料的研發和優化。

3、改進電池設計：電池的結構設計對于氣體管理同樣至關重要。合理的電池設計可以確保氣體在產生后能夠迅速排出，避免在電池內部積聚。產氣測試可以幫助識別設計中可能存在的氣體排放不暢或積聚的問題，進而推動電池設計的改進。

4、提高循環壽命：電池的循環壽命受多種因素影響，其中之一就是氣體產生。過多的氣體產生可能會加速電池內部結構的破壞，降低電池的循環穩定性。通過產氣測試，可以評估不同循環條件下電池的產氣情況，從而找到提高電池循環壽命的方法。

元能科技推出的方殼&圓柱電池新型原位產氣內壓測試方案，集成了高精度小空間內壓傳感器、8通道中位機以及上位機軟件，構成了一個全面、高效的電池內壓監測系統。

圖1：電池內壓監測系統（PBP1100）

1. 測試方案核心組件

（1）小空間內壓傳感器：

（a) 傳感器內部空體積僅為0.0157毫升，最小化了空間對電池內壓產生的影響。

（b) 傳感器量程最大壓強可達2MPa（其余量程可以定制），覆蓋了電池充放電/存儲過程中可能產生的內壓范圍。

（c) 精度達到0.3%F.S，提供了高精度的內壓測量數據。

（2）8通道中位機：

（a) 支持同時連接8個內壓傳感器，實現多通道并行測試，大大提高了測試效率。

（b) 具備長時間連續測試能力，可連續存儲6個月的數據，為長期監測提供了可能。

（3）上位機軟件：

（a) 實時顯示各通道的內壓和充放電數據變化，使研究人員能夠直觀了解電池狀態。

（b) 提供數據分析功能，幫助研究人員深入挖掘數據背后的規律和信息。

電池產氣測試工況一般分為3類：存儲產氣測試、循環產氣測試、過充/過放產氣測試。在選擇氣壓測試方法時，應根據被測對象的具體特點和測試需求進行綜合考慮。對于軟包電芯而言，排水法因其操作簡便、準確性高且對電芯無損害而成為優先選擇的測試方法；而對于方殼和圓柱電池來說，內壓法則因其結構適應性強、能夠實現實時監測以及集成化設計的優勢而得到廣泛應用。

表1：不同方式適用性對比分析

2. 測試應用案例分析

在測試前應對電池進行密封性檢測，確保電池沒有漏氣現象。這可以通過氦檢等方法來實現。

在進行不同充放電工步的長循環周期測試中，觀察到氣壓隨時間增加而有一定增長，并且確認不存在漏氣問題，這一結果反映了電池內部在充放電過程中發生的復雜物理化學變化（圖2）。結合上位機軟件，合并充放電數據后（圖3），可以看到氣壓曲線與充放曲線呈現一致性變化，在長循環周期測試中，電池內部氣壓的增長主要是由于充放電過程中產生的氣體在電池內部積累所致。由圖3可知，電池內壓變化與充放電曲線高度一致。如前所述，電池內的溫度波動、電化學反應產生的氣體以及電極材料的晶格體積收縮和膨脹都是氣體壓力的重要因素。內壓在充電過程中升高而在放電過程中逐步降低，這部分壓力變化主要是由電極材料地體積變化引起的，屬于可逆壓力變化。循環過程中，最低壓力和最高壓力逐步升高，升高的部分是不可逆壓力變化，主要是由于副反應產氣導致的。電池內壓的演化過程包含了大量的信息，與電池的電極膨脹與收縮、溫度效應和副反應緊密相關，詳細解析壓強變化可以更深理解電池內部的反應過程，理解電池老化機理。

圖2：不同充放電工步氣壓曲線

圖3：氣壓與充放電曲線

3. 總結

該產氣測試方案在圓柱/方殼電池性能測試具有廣泛的應用前景。通過實時監測電池內壓的變化，可以及時發現電池潛在的安全隱患，提高電池的安全性能和可靠性。同時，該方案也為電池的研發和優化提供了重要的數據支持，有助于推動電池技術的不斷進步和發展。

參考文獻：Ke Tan, Wei Li, Zhen Lin, Xile Han, Xiaoshuang Dai, Shikai Li, Zhi Liu, Hongyu Liu, Long Sun, Junfeng Jiang, Tiegen Liu, Kai Wu, Tuan Guo, Shuang Wang,Operando monitoring of internal gas pressure in commercial lithium-ion batteries via a MEMS-assisted fiber-optic interferometer,Journal of Power Sources,2023, 580,233471

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