鋰離子電池作為一種有效的電能存儲設備，具有能量密度高、比功率大、輸出電壓高、自放電小、使用壽命長等優點，目前已廣泛應用于電動汽車、電子產品等領域。但其在電化學循環過程中，由于鋰離子的脫嵌過程會導致電極材料的體積膨脹和收縮，且電池內部伴有產氣、產熱現象發生，均會導致電池整體發生變形，而這種形變尤以厚度方向為主。由于電池內部鋰濃度分布不均，會導致電芯膨脹時的應力呈不均勻分布的現象。目前，針對鋰離子電池應力的測量，一般只能測量電芯或模組的整體膨脹力，而少見測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現原位監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對應的鋰濃度及應力應變分布模擬1

測試信息 

· 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，如圖2所示。搭配壓力分布薄膜（0~2MPa）測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

· 測試參數：電芯信息如表1所示。

表1.電芯信息

· 測試流程：將電芯置于原位膨脹分析儀測試腔中，設置充放電參數：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時監控電芯膨脹力變化曲線。

測試結果 

對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極，導致負極結構膨脹，壓力不斷上升，充電結果峰值壓力125.3kg。放電時鋰離子從負極脫出回到正極，負極結構不斷收縮，壓力不斷降低，放電結束時壓力為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，每一個小單元處對應一個壓力傳感器， 同步采集電芯充放電過程中每個位置的膨脹力變化曲線。

圖4.電芯小單元區域劃分

整個充放過程中各區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，電芯中間區域的膨脹力可看到明顯的增加，放電時，SOC逐漸降低，各區域對應的膨脹力又逐漸降低，總體變化趨勢與圖3一致，電芯應力呈現中間強四周弱，這可能與鋁塑膜熱封口邊緣本身對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構設計有關 ，同時膨脹力的變化也會受電芯收尾處貼膠以及極耳厚度影響。

圖5.電芯不同區域隨SOC變化的熱力圖

對第二次循環充電的零電態和滿電態對應的膨脹力分布進一步詳細分析，如圖6所示，雖然邊緣處的初始膨脹力小于中間區域，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力堆積或者析鋰有關。

圖6.零電態與滿電態各區域小單元受力分布（相對值）

選取部分小區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值來看，邊緣位置1、5、11處，膨脹力的絕對值是最小的，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。電池各區域應力分布不均勻可能還與卷芯內部的形變過程有關。在恒間隙模式下，充電時電池厚度膨脹，厚度膨脹對夾具形成作用力，夾具保持恒定間隙相當于對電池施加了一定的壓力，在壓力作用下，卷芯內部可能會發生褶皺和卷曲，如圖8所示，導致各個區域受力不均勻。

圖7.部分區域小單元膨脹力變化曲線

圖8.電池內部的形變過程示意圖⁴

實驗總結 

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力分布特征，進一步分析各小區域單元變化趨勢，可定量表征出電芯表面的應力分布差異，為電芯應力分析提供更深層次的視角，可助力技術人員分析電芯內應力分布、探究失效電芯原因、開發更安全更可靠的電芯。

參考文獻 

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