不同刚度限制（线性模式）对电芯性能影响

前言

锂离子电池充放电过程中，正负极材料不断脱嵌锂造成颗粒体积变化，并伴随着电芯厚度变化，同时随着电芯的老化，伴随着SEI膜增厚、产气、析锂等也会使电芯厚度增加。若电芯被限制于固定空间内（实际应用场景），则会对此空间外壁产生一定的作用力（膨胀力），此膨胀力会影响电芯的循环性能及安全性。一般地，限制电芯空间的构件具有一定地刚度，自身也会发生一定形变，比如电池包的外壳或模组的紧固件。以弹簧为例说明刚度的概念，弹簧的刚度K定义为弹簧受力F与其变形δ的比值，即K=F/δ。一般地认为刚度k是一个常量，假设电池包外壳为金属板，限制电池在固定空间内。金属板厚度为H，弹性模量为E，金属板面积为A，如果在变形δ下，所需要的力为F，则有：

金属板应变为：ε=δ/H；

金属板应力为：σ=Eε=Eδ/H；

施加在金属板上的力为：F=Aσ=AEδ/H；

那么，金属板的刚度为：K=F/δ=AE/H。

因此，刚度的大小取决于零件或结构件的几何形状（如金属板的厚度H和面积A）和材料种类（即材料的弹性模量E）。

元能科技（厦门）有限公司推出的原位膨胀分析仪（SWE）具备恒压力和恒间隙测试模式，在恒定压力作用下监控电芯的厚度演变或者在限定恒定位移间隙下监控压力的变化。这两种模式能够有效地检测电池的膨胀过程，但是没有考虑实际应用场景下结构件本身的形变。因此，在快速模拟不同限制程度对电芯性能影响方面，元能科技（厦门）有限公司的原位膨胀分析仪（SWE）推出一款新的控制模式（线性膨胀模式）：通过调控线性度K值（压力与厚度比值）大小，实现模拟不同刚度边界对电芯的束缚，同时原位监控压力、厚度、电性能等参数。本文选取了两个不同K值和恒间隙模式实验，并对比分析了三者之间对电芯寿命影响差异。

一、测试信息

1. 测试设备：

原位膨胀分析仪，型号SWE2110（IEST元能科技），可施加压力范围50~10000N，可调控温度-20℃~80℃。设备外观如图1所示。

图1.原位膨胀分析仪示意图

2. 测试参数：

2.1 电芯信息如表1所示。

表1.电芯信息

Information of cell

Cathode

LCO

Anode

Gr

Capacity

3300mAh

Size

40mm*90mm

2.2 充放电流程：25℃ 搁置10min；1.0C充电至4.2V，到达截止电压后继续恒压充电，截止电流0.05C；搁置10min, 放电1.0C，截止电压3.0V，同步开启原位膨胀分析仪，软件自动读取电芯膨胀厚度、膨胀力、电流、电压、容量等数据。

2.3 线性膨胀模式说明：K值单位kg/mm，本实验设置值为500kg/mm和2000kg/mm，从而模拟不同几何形状和弹性模量的电池空间限制结构件场景下电池的膨胀过程；K值调控只在电芯充放电过程时启用。电芯搁置过程中可设置恒压力模式或者恒间隙模式。本次实验线性膨胀模式启动阀值为厚度变化大于3μm并且压力变化大于0.5kg，电芯搁置过程中设置恒间隙模式。

二、结果分析

选取三个平行电芯，启动原位膨胀分析系统，选择相应测试模式（恒间隙 、线性模式）实验，设置初始预紧力100kg，同步实时测试厚度、压力及电性能参数，当电芯容量衰减至初始容量80%时停止实验。如图2所示：恒间隙模式下限定了电池的膨胀空间，间隙控制在±1μm范围内，随循环进行膨胀力不断增加；线性膨胀模式模拟限制电池空间的结构件存在一定刚度值(比如不同厚度和材质的金属板)，在循环过程膨胀力及膨胀厚度都实时的变化，更加贴近实际应用场景。并且，随着线性膨胀系数（K值）改变，膨胀力和膨胀厚度呈现不同量的变化。当K=2000时，相当于结构件刚度大，即相同几何形状时弹性模量大，结构件本身的变形量更小，因此电池膨胀时压力更高。而当K=500时，相当于结构件刚度更小，即弹性模量小，结构件本身的变形量更大，因此电池膨胀时厚度变化会更大，则压力更小。同时发现不同K值对设备调控响应程度不同。从整体稳定性角度K值为2000时稳定性相对差些，所以目前K值设置建议在500~1000kg/mm范围内。

图2.两测试模式压力&厚度变化趋势

线性模式（K500）选取前5个cycle，分析电压、压力、厚度、K值随时间关系如图3所示：随着充放电进行，电芯压力和厚度均呈现周期性变化，压力和厚度线性度明显。这说明可以模拟K=500刚度值的限制结构件实际场景下电池的膨胀与收缩过程。

图3.电压、压力、厚度、K值变化曲线（前5cycle）

若把电芯膨胀厚度和膨胀力与容量保持率关联，提取每个循环过程中最大的压力和厚度变化，如图4所示（实线容量保持率，虚线为压力和厚度）：随着电芯老化，采用线性膨胀模式电芯最大膨胀力整体呈现减小趋势，最大膨胀厚度呈现变大趋势；采用恒间隙模式电芯膨胀力呈现增加趋势，并且膨胀力值在三模式中最大。电芯外部压力增加会提升活性材料与隔膜之间的相对密度和接触面积，也会减少界面电阻以及减小界面一些副反应，同时也会改变极片孔隙大小及孔隙率等极片参数影响电芯充放电时离子传输能力。线性模式（K500）和恒间隙模式下容量保持率曲线出现“拐点”，这部分机理还需要更深入分析验证与外部压力的关联性。

图4. a) 容量保持&最大膨胀力曲线

b) 容量保持&最大膨胀厚度变化曲线

若进一步分析各模式首圈（BOL）循环和末圈(EOL)循环，如图5所示：线性模式EOL最大膨胀力均小于BOL，而恒间隙则相反，这说明不同的控制方式对最大膨胀力影响很大。另外也可以对比EOL最大膨胀厚度与BOL的初始厚度之间的差距，从而关联模组PACK中缓冲棉的厚度的选择，保证模组整个生命周期都有合适的机械强度。

图5.三种模式BOL和EOL电芯膨胀力&膨胀厚度曲线

（实线为厚度，虚线为压力）

三、小结

本文采用原位膨胀分析仪（SWE2110）的线性模式，模拟不同刚度的材质对电芯束缚，监测整个生命周期中膨胀厚度及膨胀力的变化，使实验结果更加贴近真实工况，助力设计人员设计更加合适的方案。

四、参考资料

[1]梁浩斌,杜建华,郝鑫,等.锂电池膨胀形成机制研究现状[J].储能科学与技术, 2021.DOI:10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0358.

[2] Wuensch M , Kaufman J , Sauer D U .Investigation of the influence of different bracing of automotive pouch cells on cyclic liefetime and impedance spectra[J].The Journal of Energy Storage, 2018, 21(FEB.):149-155.DOI:10.1016/j.est.2018.11.019.

[3]张军,曾云路,邹舜章,等.软包锂电池在适当压力下的膨胀及寿命研究[J].电源技术, 2019, 43(10):4.DOI:CNKI:SUN:DYJS.0.2019-10-020.

联系电话：许经理 13959547432

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