隨著新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，鋰離子動(dòng)力汽車(chē)得到廣泛應(yīng)用，鋰離子電池的安全性能越來(lái)越重要。在長(zhǎng)期充放電循環(huán)期間，單個(gè)電池串聯(lián)和并聯(lián)組合以形成模塊。

由于鋰的脫嵌和氣體的產(chǎn)生，單個(gè)電池單元將在一定程度上膨脹，這將影響模塊外殼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在電池組或車(chē)輛系統(tǒng)中，如果單個(gè)電池的膨脹力過(guò)大，則可能會(huì)使外殼破裂并造成安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要在電池的長(zhǎng)期循環(huán)試驗(yàn)中引入膨脹性能的監(jiān)測(cè)。

由于電池單元在形成電池模塊時(shí)以不同的數(shù)量和不同的串聯(lián)和并聯(lián)方式組合，因此具有不同設(shè)計(jì)的模塊的預(yù)緊力也會(huì)不同。因此，有必要對(duì)影響膨脹性能的幾個(gè)因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合仿真初步探索電池單元模塊的膨脹變化規(guī)律，這有助于更好地設(shè)計(jì)模塊。

本文通過(guò)比較單電池和多電池在充放電過(guò)程中的膨脹厚度和膨脹力相關(guān)性，為電池模塊膨脹力的預(yù)測(cè)和模擬提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

 

 

實(shí)驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備：原位溶脹分析儀，型號(hào)SWE2110（IEST元能科技），設(shè)備外觀如圖所示。

 

 

2.試驗(yàn)過(guò)程：

小區(qū)信息如表1所示。

 

Information of cell
Cathode	NCM
Anode	Graphite
Capacity	2000mAh
Voltage	3.0~4.2V
Model	345877

 

3.電池厚度膨脹測(cè)試：將待測(cè)電池放入設(shè)備對(duì)應(yīng)的通道中，打開(kāi)MISS軟件，設(shè)置每個(gè)通道對(duì)應(yīng)的電池?cái)?shù)量和采樣頻率參數(shù)，軟件將自動(dòng)讀取電池厚度、厚度變化、測(cè)試溫度、電流、電壓、容量等數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程和數(shù)據(jù)分析

如圖3所示，電池和模塊膨脹試驗(yàn)通常有三種模式：（a）無(wú)任何約束的自由膨脹測(cè)量；（b） 施加恒定預(yù)載荷時(shí)的細(xì)胞膨脹測(cè)量；（c） 恒定間隙的細(xì)胞膨脹測(cè)量。電池或模塊單元可分解為兩個(gè)等效剛度分量：內(nèi)電池的等效剛度ka和外殼的等效剛力kc。

三種情況在平衡條件下的受力分析如圖3所示。在第一種情況下，外殼限制內(nèi)部繞組鐵芯的膨脹，外殼上的力和繞組鐵芯上的力平衡，外力為零；在第二種情況下，外部預(yù)加載載荷（F 0）施加到電池上，導(dǎo)致電池殼的初始位移（圖3b中的s0和s0，c），

垂直于電極的方向上的等效剛度ks通過(guò)相兩側(cè)的結(jié)合板而增加。在平衡條件下，預(yù)載F0（與兩側(cè)約束板的力Fs相同）等于繞組芯和電池殼上的力之和；在第三種情況下，當(dāng)不斷測(cè)量間隙時(shí)，由于固定間隙條件，當(dāng)電池膨脹時(shí)，繞組芯和電池殼的膨脹也不同于自由條件下的膨脹。

簡(jiǎn)而言之，由于模塊是多個(gè)電池的組合，因此在應(yīng)力過(guò)程中，電池外殼和電池之間的塑料墊圈會(huì)收縮和膨脹。測(cè)試的厚度和力是鋰嵌入和電極提取的膨脹和收縮以及其他部件膨脹和收縮的綜合結(jié)果。在本文中，采用恒壓和恒間隙測(cè)試模式來(lái)研究單體和模塊之間的相關(guān)性。

 

 

1.單體溶脹厚度與模塊之間關(guān)系的研究

如圖4所示，為了模擬單個(gè)電池之間的夾層，在測(cè)試之前，在電池上粘貼一層白色PET膜。細(xì)胞疊加試驗(yàn)方法如圖5所示。打開(kāi)原位溶脹分析儀（SWE2110），設(shè)置200kg恒壓模式，并聯(lián)充放電，分別原位測(cè)試單個(gè)電池和堆疊電池的溶脹厚度變化。如圖6所示：實(shí)線是單元的實(shí)際膨脹曲線，虛線是擬合疊加曲線（算術(shù)和）。

從結(jié)果來(lái)看，單電池和堆疊電池都表現(xiàn)出電荷膨脹和放電收縮的現(xiàn)象，這主要是由于鋰脫嵌過(guò)程導(dǎo)致的石墨和三元材料的結(jié)構(gòu)膨脹和收縮。隨著堆疊電池?cái)?shù)量的增加，模塊的整體膨脹厚度不斷增加，多個(gè)電池的疊加膨脹曲線（藍(lán)色實(shí)線）與單電池疊加算法和膨脹曲線（藍(lán)虛線）基本一致，僅在充放電結(jié)束時(shí)存在一些差異。

這可能與每個(gè)單電池的一致性差有關(guān)，并且隨著堆疊電池?cái)?shù)量的增加，測(cè)量曲線和擬合曲線之間的差異越大，這表明具有多個(gè)電池的模塊越多，單體的一致性要求就越高。

 

 

2.單體膨脹力與模量關(guān)系的探討

設(shè)置恒定間隙模式，并行充電和放電，并測(cè)試單電池和堆疊電池在原位充電和放電過(guò)程中的膨脹力變化，如圖7所示。從結(jié)果來(lái)看，隨著模塊中堆疊電池的數(shù)量增加，模塊的總膨脹力繼續(xù)增加。

然而，模塊單元的膨脹力的絕對(duì)值與單個(gè)單元的膨脹壓力沒(méi)有倍數(shù)關(guān)系，并且通常小于多個(gè)單個(gè)單元膨脹力的總和。堆疊電池的數(shù)量越多，絕對(duì)值的差異就越大，這可能是控制恒定間隙的邊界條件。這將使模塊中的單個(gè)電池單元在充電和放電時(shí)的狀態(tài)與單個(gè)電池單元的狀態(tài)不同，這將影響電化學(xué)性能。差異的原因需要進(jìn)一步探討。

可以同時(shí)考慮分組前的單個(gè)小區(qū)容量和分組后的單個(gè)小區(qū)的容量，并進(jìn)行比較和分析。堆疊后，壓力不會(huì)線性增加。這可能是因?yàn)槎询B后電池單元的疊加壓力達(dá)到臨界值，并壓縮了極靴之間的更微觀空間，這勢(shì)必反映在電池性能中！

 

 

從以上結(jié)果可以看出，模塊或PACK固定安裝在電池組外殼中，單電池之間的墊圈將對(duì)模塊的整體力和膨脹產(chǎn)生相對(duì)較大的影響。出色的電池模塊設(shè)計(jì)可以消除單個(gè)電池的膨脹。

最近，寧德時(shí)代推出的麒麟電池在中國(guó)磷酸鐵鋰動(dòng)力電池制造商中排名第一，它整合了使用需求，將水平和垂直梁、水冷板和隔熱墊結(jié)合在一起，并將它們集成為多功能彈性?shī)A層。夾層內(nèi)置微橋連接裝置，可靈活配合電池芯的呼吸自由伸縮，提高電池壽命周期的可靠性。

 

 

總結(jié)

本文利用原位膨脹分析儀（SWE）分析了同一系統(tǒng)單電池和不同數(shù)量模塊電池在充放電過(guò)程中的膨脹厚度和膨脹力。

研究發(fā)現(xiàn)，在恒定壓力模式下，模塊單元的膨脹厚度的變化趨勢(shì)可以通過(guò)單個(gè)單元的算術(shù)和來(lái)擬合，但在恒定間隙模式下，不滿(mǎn)足簡(jiǎn)單的算術(shù)擬合方法。

這與兩種邊界條件的測(cè)量模式下的單個(gè)單元的力不同。下一步可以繼續(xù)探索不同測(cè)試模式下的力模型，并更詳細(xì)地分析電極的溶脹過(guò)程。