隨著新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，鋰離子動力汽車得到廣泛應用，鋰離子電池的安全性能越來越重要。在長期充放電循環(huán)期間，單個電池串聯(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)強度。在電池組或車輛系統(tǒng)中，如果單個電池的膨脹力過大，則可能會使外殼破裂并造成安全風險。因此，有必要在電池的長期循環(huán)試驗中引入膨脹性能的監(jiān)測。

由于電池單元在形成電池模塊時以不同的數(shù)量和不同的串聯(lián)和并聯(lián)方式組合，因此具有不同設計的模塊的預緊力也會不同。因此，有必要對影響膨脹性能的幾個因素進行實驗，并結(jié)合仿真初步探索電池單元模塊的膨脹變化規(guī)律，這有助于更好地設計模塊。

本文通過比較單電池和多電池在充放電過程中的膨脹厚度和膨脹力相關性，為電池模塊膨脹力的預測和模擬提供了基礎數(shù)據(jù)。

 

 

實驗設備和試驗方法

1.實驗設備：原位溶脹分析儀，型號SWE2110（IEST元能科技），設備外觀如圖所示。

 

 

2.試驗過程：

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.電池厚度膨脹測試：將待測電池放入設備對應的通道中，打開MISS軟件，設置每個通道對應的電池數(shù)量和采樣頻率參數(shù)，軟件將自動讀取電池厚度、厚度變化、測試溫度、電流、電壓、容量等數(shù)據(jù)。

實驗過程和數(shù)據(jù)分析

如圖3所示，電池和模塊膨脹試驗通常有三種模式：（a）無任何約束的自由膨脹測量；（b） 施加恒定預載荷時的細胞膨脹測量；（c） 恒定間隙的細胞膨脹測量。電池或模塊單元可分解為兩個等效剛度分量：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，外部預加載載荷（F 0）施加到電池上，導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通過相兩側(cè)的結(jié)合板而增加。在平衡條件下，預載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，當不斷測量間隙時，由于固定間隙條件，當電池膨脹時，繞組芯和電池殼的膨脹也不同于自由條件下的膨脹。

簡而言之，由于模塊是多個電池的組合，因此在應力過程中，電池外殼和電池之間的塑料墊圈會收縮和膨脹。測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試模式來研究單體和模塊之間的相關性。

 

 

1.單體溶脹厚度與模塊之間關系的研究

如圖4所示，為了模擬單個電池之間的夾層，在測試之前，在電池上粘貼一層白色PET膜。細胞疊加試驗方法如圖5所示。打開原位溶脹分析儀（SWE2110），設置200kg恒壓模式，并聯(lián)充放電，分別原位測試單個電池和堆疊電池的溶脹厚度變化。如圖6所示：實線是單元的實際膨脹曲線，虛線是擬合疊加曲線（算術和）。

從結(jié)果來看，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程導致的石墨和三元材料的結(jié)構(gòu)膨脹和收縮。隨著堆疊電池數(shù)量的增加，模塊的整體膨脹厚度不斷增加，多個電池的疊加膨脹曲線（藍色實線）與單電池疊加算法和膨脹曲線（藍虛線）基本一致，僅在充放電結(jié)束時存在一些差異。

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

 

 

2.單體膨脹力與模量關系的探討

設置恒定間隙模式，并行充電和放電，并測試單電池和堆疊電池在原位充電和放電過程中的膨脹力變化，如圖7所示。從結(jié)果來看，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值與單個單元的膨脹壓力沒有倍數(shù)關系，并且通常小于多個單個單元膨脹力的總和。堆疊電池的數(shù)量越多，絕對值的差異就越大，這可能是控制恒定間隙的邊界條件。這將使模塊中的單個電池單元在充電和放電時的狀態(tài)與單個電池單元的狀態(tài)不同，這將影響電化學性能。差異的原因需要進一步探討。

可以同時考慮分組前的單個小區(qū)容量和分組后的單個小區(qū)的容量，并進行比較和分析。堆疊后，壓力不會線性增加。這可能是因為堆疊后電池單元的疊加壓力達到臨界值，并壓縮了極靴之間的更微觀空間，這勢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模塊的整體力和膨脹產(chǎn)生相對較大的影響。出色的電池模塊設計可以消除單個電池的膨脹。

最近，寧德時代推出的麒麟電池在中國磷酸鐵鋰動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夾層。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可以通過單個單元的算術和來擬合，但在恒定間隙模式下，不滿足簡單的算術擬合方法。

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