鋰離子電池已廣泛應用于生活的方方面面，比如手機、汽車或者家用儲能等，因此對鋰離子電池的各類性能評估也顯得尤為重要。我們知道鋰電池在充放電過程中會發生膨脹或收縮，因此在設計鋰電池模組時，膨脹參數是必須要考慮的重要參數之一。此外，隨著高比容量的新一代負極的出現（例如硅基負極或者鋰金屬負極），其結構膨脹比常規的石墨負極要明顯得多^[1,2]，因此越來越多的企業將注意力聚焦到了對鋰電池的膨脹性能評估上。

通常，研究者們必須要將極片制備成單層或多層的成品電芯才能進行膨脹評估，該方法測試周期長，評估效率低，占用資源多，嚴重影響新材料的開發進程。元能科技近期創新性地利用模型扣電對電池極片的膨脹行為進行評估，大大縮短了材料膨脹性能的評估周期，并能夠為高校或企業節省大量制備電芯的人力與物力。對于這款模型扣電，用戶最關心的便是它的循環效率與傳統鋼殼扣電是否具有可比性，以及模型扣電測出來的膨脹厚度變化與成品電芯的可比性。為此，這篇文章基于這兩個方面給出了相應的比對數據，便于用戶進行評估與選擇。

1.測試條件

1.1 測試設備：本文采用元能科技的模型扣式電池，并配合硅基負極膨脹原位快篩系統（RSS1400, IEST元能科技）進行扣電與軟包電池的充放電測試與膨脹測試。

圖1.硅基負極膨脹原位快篩系統（RSS1400）

1.2 充放電測試條件：

①使用元能科技的模型扣電組裝NCM//Li的扣式半電池與NCM//SiC的扣式全電池，并以01C的倍率進行3圈的循環充放電，方便后續和商用鋼殼扣電以及單層軟包疊片電池進行性能對比；

②使用商用2032鋼殼扣電組裝NCM//Li的扣式半電池，并以01C的倍率進行3圈的循環充放電；

③組裝NCM//SiC的單層軟包疊片電池，并以01C的倍率進行3圈的循環充放電。

1.3 電芯膨脹測試條件：將NCM//SiC的模型扣式全電池與單層軟包疊片電池放置于硅基負極膨脹原位快篩系統（RSS1400, IEST）中，施加5kg的初始預緊力后，在01C充放電過程中實時監控二者的膨脹厚度變化。

2.結果分析

2.1 元能科技模型扣電與商用2032鋼殼扣電的充放電效率對比

圖2左圖為元能科技的模型扣電，右圖為商用2032鋼殼扣電。我們使用相同尺寸與成分的三元正極組裝成對鋰片的扣式半電池，并對比二者在01C充放電倍率下的庫倫效率，結果如表1所示。從中可以看出，模型扣電的首效約為89.13%，僅比商用鋼殼扣電低了約0.718%，而第二圈和第三圈的循環效率最大也僅比商用鋼殼扣電低了約1.28%。此外，模型扣電與鋼殼扣電三圈的循環效率COV最大僅為0.65% （其中COV=標準差/平均值*100，一般情況下，若COV<5%，則表明二者的重復性與再現性較為良好），因此可以認為元能科技的模型扣電與商用鋼殼扣電具有相近的循環充放電性能！

圖2.左圖為元能科技的模型扣電；右圖為商用2032鋼殼扣電。

表1.NCM//Li的模型扣式半電池與商用鋼殼扣電的循環效率對比

2.2 元能科技模型扣電與軟包電池的膨脹厚度對比

圖3左圖為元能科技的模型扣電，右圖為單層軟包疊片電池。二者使用相同成分的三元正極與硅碳負極組裝成全電池，并在01C充放電過程中實時監控二者的膨脹厚度變化，其中二者的電壓曲線與厚度膨脹曲線如圖4所示，具體的全電池循環效率以及膨脹厚度對比分別如表2和表3所示。從圖4中可以看出，無論是充放電過程中的電壓曲線，還是厚度膨脹曲線，模型扣電與軟包疊片電池均表現出良好的一致性，其中從表2中可以看出，模型扣電與軟包疊片電池的首效分別為41.82%和42.42%，而后兩圈的循環效率最大僅差0.12%；而從表3中可以看出，二者3圈的厚度膨脹率COV也都在3.5%以內，表明二者的厚度膨脹率也具有良好的一致性。

圖3.左圖為元能科技的模型扣電；右圖為單層軟包疊片電池。

圖4. 藍色虛、實線分別為模型扣電的電壓曲線與厚度膨脹曲線；

橙色虛、實線分別為單層軟包疊片電池的電壓曲線與厚度膨脹曲線

表2.NCM//SiC的模型扣式全電池與單層軟包疊片電池的循環效率對比

表3.NCM//SiC的模型扣式全電池與單層軟包疊片電池的膨脹厚度對比

3.總結

本文對元能科技（廈門）有限公司的模型扣電進行了充放電性能評估與膨脹厚度評估，從結果中可以看到，模型扣電的循環充放電效率與商用2032鋼殼扣電基本一致，而3圈循環過程中的厚度膨脹率也與單層軟包疊片電池的測試結果基本一致，表明元能科技的模型扣電具有良好的循環充放電效率與膨脹評估效果。本文推薦使用硅基負極膨脹原位快篩系統（RSS1400, IEST）配合該款模型扣電使用，其厚度膨脹測試精度為0.1μm，分辨率可達0.01μm，對脫嵌鋰相變引起的細微厚度變化具有良好的檢測與分辨能力，助力新型低膨脹、高容量負極材料的開發！

4.參考資料

[1] J. Lin, L. Wang, Q.S. Xie, Q. Luo, D.L. Peng, C. B. Mullins and A. Heller, Stainless Steel-Like Passivation Inspires Persistent Silicon Anodes for Lithium-Ion Batteries. Angew. Chem. 135 (2023) e202216557.

[2] M. Ashuri, Q.R. He and L.L. Shaw, Silicon as a potential anode material for Li-ion batteries: where size, geometry and structure matter. Nanoscale 8 (2016) 74–103.