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2024-01-24
锂离子电池具备工作电压高、能量密度大、工作范围宽、放电平稳、比功率大等优点，目前被广泛应用到动力汽车、3C数码产品、储能设备等领域。随着对锂离子电池终端产品的要求不断增大，锂离子电池的各项性能也需要不断提升，如锂离子电池的结构稳定性、安全性能及外观硬度等等。而提高电芯刚度不仅可以美化外观、还可以提高电芯安全性能，如硬物冲击、高空坠落、挤压等性能，同时也对模组的安全设计起至关重要的作用。
电芯刚度一般包含有压缩刚度和膨胀刚度。压缩刚度是指电芯不充放电静态时弹性形变能力，膨胀刚度是指电芯在充放电过程中抵抗弹性形变的能力。目前通常测试法是通挤压电芯，并记录电芯压缩位移和压力对应关系，从而获得不同挤压变形量下的电芯压缩刚度，并用压缩刚度近似等于电芯的膨胀刚度。这种近似求解电芯膨胀刚度差异到底有多大，本文使用原位膨胀分析系统（SWE2110）量化同一电芯压缩刚度和膨胀刚度差异。
1、测试信息
1.1 实验设备：原位膨胀分析仪，型号SWE2110（IEST元能科技），如下图所示：
图1.原位膨胀分析系统示意图
1.2 电芯信息
表1.电芯信息
1.3 充放电流程
2、实验数据及结果分析
2.1 膨胀刚度：
SWE2110设备选择恒压力测试模式，分别设置测试压力10kg（0.02MPa），30kg（0.06MPa），50kg（0.10MPa），100kg（0.21MPa），200kg（0.42MPa），开启充放电仪对电芯进行充放电，实时原位监测电芯在不同压力条件下的厚度随时间变化如图2所示：随着充电进行正极不断脱锂负极不断嵌锂，电芯厚度不断增加，放电过程锂离子不断从负极脱出回嵌正极，厚度不断减小，并且随着压力增加电芯厚度呈现减小趋势。
图2.电芯在不同压力下充放电厚度变化曲线
从图2中选取不同SOC/DOD状态下电芯的厚度，以初始压力10kg为基准，依照刚度计算公式K=ΔF/Δδ（其中F为应力，δ为电芯厚度）计算不同SOC/DOD状态电芯膨胀刚度，如表2所示：随着压力增加，电芯在各个SOC/DOD状态都呈现增加趋势，说明电芯膨胀刚度对施加压力大小依存度较高。电芯不同SOC/DOD状态膨胀刚度也存在差异，如下图3所示：电芯充电初期膨胀刚度较大，之后随着充电进行刚度减小并相对稳定；电芯放电过程中膨胀刚度呈现先增大后减小的过程，放电深度为30%~50%左右达到最大刚度。
表2.电芯各SOC膨胀刚度（左表充电过程，右表放电过程）
图3.不同SOC/DOD状态电芯膨胀刚度变化趋势
2.2 压缩刚度：
分别调整电芯SOC为0%，30%，50%，80%，100%，并用SWE2100调整压力10kg（0.02MPa），30kg（0.06MPa），50kg（0.10MPa），100kg（0.21MPa），200kg（0.42MPa）并监控电芯厚度变化，测试电芯在各状态下的压缩刚度如下表3（左）所示电芯压缩刚度和膨胀刚度差异大，膨胀刚度明显小于压缩刚度。因此直接用压缩刚度反推膨胀刚度可能会存在较大的误差。
表3.电芯刚度对比（左表压缩刚度，右表膨胀刚度）
3、小结
本文采用原位膨胀分析系统（SWE2100）恒压力模式表征电芯的膨胀刚度和压缩刚度，验证了电芯刚度不仅与电芯状态有关，而且与施加压力大小也存在关联，同时发现电芯膨胀刚度和压缩刚度存在明显差异。
4、参考文献
[1] Hoeschele P , Heindl S F , Erker S ,et al.Influence of reversible swelling and preload force on the failure behavior of a lithium-ion pouch cell tested under realistic boundary conditions[J].Journal of Energy Storage, 2023.
[2]祝茂宇,何见超,于奥,等.电芯膨胀刚度测试方法:202310112653[P][2024-01-15].
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