电芯内压测试so easy！一种“小而精”的测试系统

前 言

电池内部压力变化主要原因包括：（1）在锂离子电池的充放电过程中，电极材料体积随着锂化和脱锂而不断波动，根据理想气体状态方程PV=nRT,对于固定外壳的圆柱或者方壳电池，电极材料体积变化导致内部气体体积变化，从而导致内部气体压力的变化。（2）锂离子电池内的异常副反应会产生气体，从而导致更高的压力，引发一系列安全问题。（3）内部气体压力的波动还受到电池内的热效应的影响，根据PV=nRT，温度变化时也会导致电池内部压力变化。通常气体压力变化也可以分为两类：由电极结构变化引起的可逆压力变化和由副反应产气引起的不可逆压力变化。电池内部压力的增加将加速电极的老化，最终降低电池的性能和寿命，并可能导致安全事故。因此，实时监测锂离子电池内部气体压力可以给出电池内部反应的额外信息，既可以加深对电极材料体积如何变化的理解，又可以探索电池运行过程中电池内部副反应的机理。一般地，电池产气测试的主要目的有如下几个方面：

1、评估安全性：电池在异常工况下（如过充、过放、高温等）可能会产生大量气体，这些气体如果未能及时排出或得到有效控制，可能会导致电池内部压力骤增，进而引发漏液、膨胀、甚至爆炸等安全问题。因此，产气测试的首要目的是评估电池在不同条件下的安全性能。

2、优化电池材料：不同的电池材料在化学反应过程中产生的气体种类和量有所不同。通过产气测试，可以分析出哪些材料组合更倾向于产生较少的有害气体，或者能够更有效地管理气体产生，从而指导电池材料的研发和优化。

3、改进电池设计：电池的结构设计对于气体管理同样至关重要。合理的电池设计可以确保气体在产生后能够迅速排出，避免在电池内部积聚。产气测试可以帮助识别设计中可能存在的气体排放不畅或积聚的问题，进而推动电池设计的改进。

4、提高循环寿命：电池的循环寿命受多种因素影响，其中之一就是气体产生。过多的气体产生可能会加速电池内部结构的破坏，降低电池的循环稳定性。通过产气测试，可以评估不同循环条件下电池的产气情况，从而找到提高电池循环寿命的方法。

元能科技推出的方壳&圆柱电池新型原位产气内压测试方案，集成了高精度小空间内压传感器、8通道中位机以及上位机软件，构成了一个全面、高效的电池内压监测系统。

图1：电池内压监测系统（PBP1100）

1. 测试方案核心组件

（1）小空间内压传感器：

（a) 传感器内部空体积仅为0.0157毫升，最小化了空间对电池内压产生的影响。

（b) 传感器量程最大压强可达2MPa（其余量程可以定制），覆盖了电池充放电/存储过程中可能产生的内压范围。

（c) 精度达到0.3%F.S，提供了高精度的内压测量数据。

（2）8通道中位机：

（a) 支持同时连接8个内压传感器，实现多通道并行测试，大大提高了测试效率。

（b) 具备长时间连续测试能力，可连续存储6个月的数据，为长期监测提供了可能。

（3）上位机软件：

（a) 实时显示各通道的内压和充放电数据变化，使研究人员能够直观了解电池状态。

（b) 提供数据分析功能，帮助研究人员深入挖掘数据背后的规律和信息。

电池产气测试工况一般分为3类：存储产气测试、 循环产气测试、过充/过放产气测试。在选择气压测试方法时，应根据被测对象的具体特点和测试需求进行综合考虑。对于软包电芯而言，排水法因其操作简便、准确性高且对电芯无损害而成为优先选择的测试方法；而对于方壳和圆柱电池来说，内压法则因其结构适应性强、能够实现实时监测以及集成化设计的优势而得到广泛应用。

表1：不同方式适用性对比分析

2. 测试应用案例分析

在测试前应对电池进行密封性检测，确保电池没有漏气现象。这可以通过氦检等方法来实现。

在进行不同充放电工步的长循环周期测试中，观察到气压随时间增加而有一定增长，并且确认不存在漏气问题，这一结果反映了电池内部在充放电过程中发生的复杂物理化学变化（图2）。结合上位机软件，合并充放电数据后（图3），可以看到气压曲线与充放曲线呈现一致性变化，在长循环周期测试中，电池内部气压的增长主要是由于充放电过程中产生的气体在电池内部积累所致。由图3可知，电池内压变化与充放电曲线高度一致。如前所述，电池内的温度波动、电化学反应产生的气体以及电极材料的晶格体积收缩和膨胀都是气体压力的重要因素。内压在充电过程中升高而在放电过程中逐步降低，这部分压力变化主要是由电极材料地体积变化引起的，属于可逆压力变化。循环过程中，最低压力和最高压力逐步升高，升高的部分是不可逆压力变化，主要是由于副反应产气导致的。电池内压的演化过程包含了大量的信息，与电池的电极膨胀与收缩、温度效应和副反应紧密相关，详细解析压强变化可以更深理解电池内部的反应过程，理解电池老化机理。

图2：不同充放电工步气压曲线

图3：气压与充放电曲线

3. 总结

该产气测试方案在圆柱/方壳电池性能测试具有广泛的应用前景。通过实时监测电池内压的变化，可以及时发现电池潜在的安全隐患，提高电池的安全性能和可靠性。同时，该方案也为电池的研发和优化提供了重要的数据支持，有助于推动电池技术的不断进步和发展。

参考文献：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

第九届全国固态电池研讨会

点击图片，查阅大会日程及报告主题