鋰離子電池在充放電過程中，由于正負極的結構膨脹和電解液分解產氣會造成電芯的膨脹，當電池的束縛邊界不同時，電芯膨脹的表現形式也不同。電芯表面施加的應力一定時，電芯表現出厚度的變化，而當電芯的初始厚度控制不變時，電芯則表現出應力的變化。通常在測試電芯的膨脹行為時，需要控制不同的邊界條件，得到電芯膨脹厚度或者膨脹力的變化，但不同的控制參數會顯著影響測得的膨脹數據，元能科技推出的原位膨脹測試系統SWE系列，如圖1，可原位表征電芯的膨脹行為，如何進行不同測量模式下的參數設置，對得到準確可靠的膨脹數據是非常重要的。

圖1.元能科技原位膨脹測試系統SWE系列

SWE系列表征電芯的膨脹行為時有兩種測量模式：恒壓力和恒間隙。下面分別對這兩種模式進行參數設置的說明。

1.恒壓力模式

在恒壓力模式下，對電芯表面施加的壓力是恒定的，通過高精度的壓力調控系統實時保持電芯充放電過程中的壓力，同時采集厚度變化曲線，如圖2所示。該模式通常應用于對比不同材料的膨脹行為差異，例如不同硅碳材料的膨脹厚度對比。壓力參數的設置是與電芯的長寬面積有關的，一般情況下，隨著施加壓力的增大，電芯受到的縱向壓力也越來越大，測到的充放電過程的膨脹厚度越來越小，如圖3所示，但壓力過大時，會導致電芯充放電的極化過大，影響電芯性能，因此需要選擇合理的施加壓力。通常，行業內人員會選擇0.2MPa的壓強來表征電芯的原位膨脹厚度。該模式測試前對電芯的SOC狀態無要求，分析時重點以滿充滿放的厚度差值來比較。

圖2.恒壓力與厚度變化示意圖

圖3.不同壓強條件下的原位膨脹厚度曲線

2.恒間隙模式

在恒間隙模式下，會對電芯先施加一個初始預緊力，通過高精度的位移調控系統保持該預緊力條件對應的電芯間隙不變，實時采集電芯充放電過程中的壓力變化曲線，如圖4所示。該模式通常應用在電芯/模組/Pack設計或仿真部門，通過對比不同初始預緊力條件，控制電芯的間隙不同，進而分析束縛邊界材料的剛度，例如對比不同模組殼體或者不同緩沖棉的差異。預緊力參數的設置影響了電芯的初始間隙，預緊力越大，電芯對應的間隙越小，則后續充放電過程中測到的膨脹力越大，但當預緊力達到一定程度時，電芯的膨脹力變化會相對平穩，若繼續加大預緊力，對應的電芯間隙更小時，會增大電芯充放電的極化，影響電芯性能，因此需要選擇合理的預緊力以保證合適的電芯間隙，通常，行業內人員會選擇0.2MPa的壓強作為預緊力來表征電芯的原位膨脹力。另外，電芯的初始SOC狀態不同，會影響電芯的間隙控制量，例如相同預緊力條件下，0%SOC的電芯間隙要小于100%SOC的電芯間隙，且這兩種狀態下測到的滿充滿放的膨脹力差值也會不同，因此我們在表征膨脹力時盡量保持電芯的初始SOC狀態一致，通常會選擇滿放態的電芯進行測試。

圖4.恒間隙與膨脹力變化示意圖

圖5.不同預緊力對應的恒間隙時的膨脹力變化示意圖

總結

在表征電芯的膨脹性能時，恒壓力和恒間隙模式有不同的應用場景和測試參數。通常，材料評估時，優先會選擇恒壓力模式表征電芯膨脹厚度，此時對電芯的初始SOC無特殊要求，而在電芯設計時，更偏向選擇恒間隙模式表征電芯膨脹力，此時電芯初始SOC會較大影響后續測試結果，可選擇滿放態的電芯進行測試。另外對于初始預緊力的設置，行業內更多會使用0.2MPa的壓強施加在電芯表面作為恒壓力或者恒間隙的初始條件。

參考文獻

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