前 言

電池內(nèi)部壓力變化主要原因包括：（1）在鋰離子電池的充放電過(guò)程中，電極材料體積隨著鋰化和脫鋰而不斷波動(dòng)，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT,對(duì)于固定外殼的圓柱或者方殼電池，電極材料體積變化導(dǎo)致內(nèi)部氣體體積變化，從而導(dǎo)致內(nèi)部氣體壓力的變化。（2）鋰離子電池內(nèi)的異常副反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氣體，從而導(dǎo)致更高的壓力，引發(fā)一系列安全問(wèn)題。（3）內(nèi)部氣體壓力的波動(dòng)還受到電池內(nèi)的熱效應(yīng)的影響，根據(jù)PV=nRT，溫度變化時(shí)也會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力變化。通常氣體壓力變化也可以分為兩類(lèi)：由電極結(jié)構(gòu)變化引起的可逆壓力變化和由副反應(yīng)產(chǎn)氣引起的不可逆壓力變化。電池內(nèi)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(dǎo)致安全事故。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋰離子電池內(nèi)部氣體壓力可以給出電池內(nèi)部反應(yīng)的額外信息，既可以加深對(duì)電極材料體積如何變化的理解，又可以探索電池運(yùn)行過(guò)程中電池內(nèi)部副反應(yīng)的機(jī)理。一般地，電池產(chǎn)氣測(cè)試的主要目的有如下幾個(gè)方面：

1、評(píng)估安全性：電池在異常工況下（如過(guò)充、過(guò)放、高溫等）可能會(huì)產(chǎn)生大量氣體，這些氣體如果未能及時(shí)排出或得到有效控制，可能會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力驟增，進(jìn)而引發(fā)漏液、膨脹、甚至爆炸等安全問(wèn)題。因此，產(chǎn)氣測(cè)試的首要目的是評(píng)估電池在不同條件下的安全性能。

2、優(yōu)化電池材料：不同的電池材料在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的氣體種類(lèi)和量有所不同。通過(guò)產(chǎn)氣測(cè)試，可以分析出哪些材料組合更傾向于產(chǎn)生較少的有害氣體，或者能夠更有效地管理氣體產(chǎn)生，從而指導(dǎo)電池材料的研發(fā)和優(yōu)化。

3、改進(jìn)電池設(shè)計(jì)：電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于氣體管理同樣至關(guān)重要。合理的電池設(shè)計(jì)可以確保氣體在產(chǎn)生后能夠迅速排出，避免在電池內(nèi)部積聚。產(chǎn)氣測(cè)試可以幫助識(shí)別設(shè)計(jì)中可能存在的氣體排放不暢或積聚的問(wèn)題，進(jìn)而推動(dòng)電池設(shè)計(jì)的改進(jìn)。

4、提高循環(huán)壽命：電池的循環(huán)壽命受多種因素影響，其中之一就是氣體產(chǎn)生。過(guò)多的氣體產(chǎn)生可能會(huì)加速電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，降低電池的循環(huán)穩(wěn)定性。通過(guò)產(chǎn)氣測(cè)試，可以評(píng)估不同循環(huán)條件下電池的產(chǎn)氣情況，從而找到提高電池循環(huán)壽命的方法。

元能科技推出的方殼&圓柱電池新型原位產(chǎn)氣內(nèi)壓測(cè)試方案，集成了高精度小空間內(nèi)壓傳感器、8通道中位機(jī)以及上位機(jī)軟件，構(gòu)成了一個(gè)全面、高效的電池內(nèi)壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖1：電池內(nèi)壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（PBP1100）

1. 測(cè)試方案核心組件

（1）小空間內(nèi)壓傳感器：

（a) 傳感器內(nèi)部空體積僅為0.0157毫升，最小化了空間對(duì)電池內(nèi)壓產(chǎn)生的影響。

（b) 傳感器量程最大壓強(qiáng)可達(dá)2MPa（其余量程可以定制），覆蓋了電池充放電/存儲(chǔ)過(guò)程中可能產(chǎn)生的內(nèi)壓范圍。

（c) 精度達(dá)到0.3%F.S，提供了高精度的內(nèi)壓測(cè)量數(shù)據(jù)。

（2）8通道中位機(jī)：

（a) 支持同時(shí)連接8個(gè)內(nèi)壓傳感器，實(shí)現(xiàn)多通道并行測(cè)試，大大提高了測(cè)試效率。

（b) 具備長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)試能力，可連續(xù)存儲(chǔ)6個(gè)月的數(shù)據(jù)，為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)提供了可能。

（3）上位機(jī)軟件：

（a) 實(shí)時(shí)顯示各通道的內(nèi)壓和充放電數(shù)據(jù)變化，使研究人員能夠直觀了解電池狀態(tài)。

（b) 提供數(shù)據(jù)分析功能，幫助研究人員深入挖掘數(shù)據(jù)背后的規(guī)律和信息。

電池產(chǎn)氣測(cè)試工況一般分為3類(lèi)：存儲(chǔ)產(chǎn)氣測(cè)試、 循環(huán)產(chǎn)氣測(cè)試、過(guò)充/過(guò)放產(chǎn)氣測(cè)試。在選擇氣壓測(cè)試方法時(shí)，應(yīng)根據(jù)被測(cè)對(duì)象的具體特點(diǎn)和測(cè)試需求進(jìn)行綜合考慮。對(duì)于軟包電芯而言，排水法因其操作簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確性高且對(duì)電芯無(wú)損害而成為優(yōu)先選擇的測(cè)試方法；而對(duì)于方殼和圓柱電池來(lái)說(shuō)，內(nèi)壓法則因其結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)、能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及集成化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用。

表1：不同方式適用性對(duì)比分析

2. 測(cè)試應(yīng)用案例分析

在測(cè)試前應(yīng)對(duì)電池進(jìn)行密封性檢測(cè)，確保電池沒(méi)有漏氣現(xiàn)象。這可以通過(guò)氦檢等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在進(jìn)行不同充放電工步的長(zhǎng)循環(huán)周期測(cè)試中，觀察到氣壓隨時(shí)間增加而有一定增長(zhǎng)，并且確認(rèn)不存在漏氣問(wèn)題，這一結(jié)果反映了電池內(nèi)部在充放電過(guò)程中發(fā)生的復(fù)雜物理化學(xué)變化（圖2）。結(jié)合上位機(jī)軟件，合并充放電數(shù)據(jù)后（圖3），可以看到氣壓曲線與充放曲線呈現(xiàn)一致性變化，在長(zhǎng)循環(huán)周期測(cè)試中，電池內(nèi)部氣壓的增長(zhǎng)主要是由于充放電過(guò)程中產(chǎn)生的氣體在電池內(nèi)部積累所致。由圖3可知，電池內(nèi)壓變化與充放電曲線高度一致。如前所述，電池內(nèi)的溫度波動(dòng)、電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)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(nèi)壓在充電過(guò)程中升高而在放電過(guò)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(huán)過(guò)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(yīng)產(chǎn)氣導(dǎo)致的。電池內(nèi)壓的演化過(guò)程包含了大量的信息，與電池的電極膨脹與收縮、溫度效應(yīng)和副反應(yīng)緊密相關(guān)，詳細(xì)解析壓強(qiáng)變化可以更深理解電池內(nèi)部的反應(yīng)過(guò)程，理解電池老化機(jī)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(jié)

該產(chǎn)氣測(cè)試方案在圓柱/方殼電池性能測(cè)試具有廣泛的應(yīng)用前景。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池內(nèi)壓的變化，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池潛在的安全隱患，提高電池的安全性能和可靠性。同時(shí)，該方案也為電池的研發(fā)和優(yōu)化提供了重要的數(shù)據(jù)支持，有助于推動(dòng)電池技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：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