簡介

鋰離子電池循環(huán)過程中膨脹力的變化對模塊和系統(tǒng)的設(shè)計有重要影響。電池循環(huán)過程中容量的加速衰減與高容量電池的過度擠壓有一定的關(guān)聯(lián)性。因此，研究高容量電池循環(huán)過程中膨脹力的變化具有重要意義，對電池和系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。

高容量電池的實驗

以不同型號的方形磷酸鐵鋰動力高容量電池為樣品（Model1、Model2、Model3），置于極限壓力工裝中，分別在室溫（25±5）℃和高溫（45±5）℃下進行1C恒流恒壓充電和1C放電循環(huán)，充放電間隔為30min。

 

 

并通過壓力傳感器來記錄電池在充放電周期內(nèi)的膨脹力，分析膨脹力。而如果你想了解更多關(guān)于磷酸鐵鋰動力電池的信息，請閱讀中國十大鐵鋰電池制造商。

 

循環(huán)膨脹力的結(jié)果和討論

循環(huán)過程中膨脹力的變化

研究了不同容量和尺寸的方形高容量磷酸鐵鋰電池，并記錄了循環(huán)過程中的膨脹力。Model1電池500次循環(huán)的膨脹力隨著充/放電的進行呈現(xiàn)出非線性的變化。

充電過程中膨脹力的變化，30%SOC是第一個膨脹力的峰值，100%SOC是第二個峰值，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹力總體上增加，并呈現(xiàn)出相同的規(guī)律性。

 

 

膨脹力在放電過程中發(fā)生了變化，膨脹力的峰值是0%的放電深度（DOD）和70%的DOD，即對應100%SOC和30%SOC。同樣，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹力呈現(xiàn)明顯的上升規(guī)律。

 

膨脹力的變化規(guī)律分析

在高容量電池中，對循環(huán)中的膨脹力進行總結(jié)分析，不同SOC下的變化規(guī)律略有不同：30%SOC是膨脹力的第一個峰值。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，增幅大于100%SOC，0%SOC的膨脹力為F0，30%SOC為F30，以此類推，100%SOC的膨脹力為F100，觀察F30/F100在循環(huán)中的變化規(guī)律。

我們發(fā)現(xiàn)，30%SOC的膨脹力會逐漸接近100%SOC的膨脹力。如數(shù)據(jù)所示，從600次循環(huán)開始，F(xiàn)30開始大于F100，F(xiàn)30與F100的比例逐漸增加到103%左右，并且基本保持在這個數(shù)值上。

 

溫度對膨脹力變化的影響

在不同的溫度下，觀察了F30 / F100的變化規(guī)律。對于Model1電池，45℃和25℃時膨脹力的峰值比變化模式是不同的。當初始預緊力（0%SOC）約為0kN時，常溫循環(huán)中膨脹力的峰值比緩慢增加。在25℃循環(huán)中，經(jīng)過800次循環(huán)，F(xiàn)30/F100從100次循環(huán)開始，F(xiàn)30/F100達到90%到100%。

 

膨脹力與容量的相互對應關(guān)系

常溫循環(huán)和45℃高溫循環(huán)是評價電池使用壽命的兩個常用的循環(huán)系統(tǒng)。模型1的電池在25℃和45℃條件下，容量衰減和膨脹力峰值比的變化規(guī)律：

 

 

在正常的溫度循環(huán)中，循環(huán)膨脹力的比率增長是比較緩慢的。隨著F30/F100增加到100%以上，高容量電池的容量衰減曲線由線性變?yōu)槲澢€。從數(shù)據(jù)上看，1 000次循環(huán)前的電池容量衰減率約為每100次循環(huán)0.35%，每1 000次循環(huán)約為7%。

● 45℃循環(huán)曲線也呈現(xiàn)類似的規(guī)律，無論前100次快速衰減，前600次容量衰減規(guī)律為每100次容量衰減0.85%。當F30 / F100增加到100%以上時，600到1500的衰減規(guī)律是每100容量衰減0.95%。

可以看出，高容量電池循環(huán)膨脹力的變化與電池容量的衰減有關(guān)。結(jié)果表明，鋰離子電池持續(xù)增長的壓力與可逆的容量損失之間存在著密切的關(guān)聯(lián)，通過測量鋰離子電池的內(nèi)部壓力變化可以預測鋰離子電池的容量衰減率，例如可以通過測量鋰離子高爾夫球車電池的內(nèi)部壓力變化來預測鋰離子電池的容量衰減率。

 

不同電池的膨脹力分析

測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同型號高容量電池的循環(huán)膨脹力的變化趨勢非常接近。與不同型號電池在45℃循環(huán)中F30/F100的變化曲線相比，這種變化規(guī)律也很明顯。

 

 

不同型號電池的F30/F100的比值在600次左右達到100%，在800次左右達到103%左右，并保持不變。從這些數(shù)據(jù)可以看出，不同電池的循環(huán)膨脹力具有相同的變化規(guī)律，F(xiàn)30/F100的數(shù)值與循環(huán)衰減密切相關(guān)。

 

大容量電池拆解分析

對初始狀態(tài)的電池和循環(huán)電池進行拆解，測量不同充電狀態(tài)下的電池厚度和電池極片厚度。與初始狀態(tài)相比，極板厚度大大增加。極板回彈率被定義為極板厚度增量的百分比，即：回彈率=（循環(huán)后的極片厚度減去初始電極厚度）/初始電極厚度100%。

從數(shù)據(jù)中可以看出，陽極極片厚度的變化與電池充放電過程中的應力變化趨勢一致，推斷出力的變化與陽極有關(guān)。拆開循環(huán)電池，記錄初始厚度為100%和101.55%；加上電池外殼厚度為101.52%；推斷電池厚度的增加和循環(huán)過程中電池膨脹的增加主要來自于電池厚度的增加。

 

 

總結(jié)

在大容量鋰離子電池的循環(huán)過程中，膨脹力與容量衰減有一定的關(guān)系：

● 磷酸鐵鋰大容量電池充放電過程中的膨脹力呈現(xiàn)非線性變化趨勢，類似于正弦波分布，有兩個峰值，第一個峰值約為30%SOC，第二個峰值為100%SOC。

● 隨著循環(huán)的進行，電池膨脹力將逐漸增加。30%SOC和100%SOC膨脹力的增長速度不同，最初的F30小于F100；隨著循環(huán)的進行，F(xiàn)30將逐漸大于F100。

試驗結(jié)果表明，F(xiàn)30以后容量衰減的速度比F100要快。根據(jù)這一規(guī)律，可以通過循環(huán)過程中的壓力變化來預測電池的循環(huán)壽命。