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電芯膨脹剛度與壓縮剛度差異

元能科技 2024-01-24 | 閱讀：1540

鋰離子電池具備工作電壓高、能量密度大、工作范圍寬、放電平穩、比功率大等優點，目前被廣泛應用到動力汽車、3C數碼產品、儲能設備等領域。隨著對鋰離子電池終端產品的要求不斷增大，鋰離子電池的各項性能也需要不斷提升，如鋰離子電池的結構穩定性、安全性能及外觀硬度等等。而提高電芯剛度不僅可以美化外觀、還可以提高電芯安全性能，如硬物沖擊、高空墜落、擠壓等性能，同時也對模組的安全設計起至關重要的作用。

電芯剛度一般包含有壓縮剛度和膨脹剛度。壓縮剛度是指電芯不充放電靜態時彈性形變能力，膨脹剛度是指電芯在充放電過程中抵抗彈性形變的能力。目前通常測試法是通擠壓電芯，并記錄電芯壓縮位移和壓力對應關系，從而獲得不同擠壓變形量下的電芯壓縮剛度，并用壓縮剛度近似等于電芯的膨脹剛度。這種近似求解電芯膨脹剛度差異到底有多大，本文使用原位膨脹分析系統（SWE2110）量化同一電芯壓縮剛度和膨脹剛度差異。

1、測試信息

1.1 實驗設備：原位膨脹分析儀，型號SWE2110（IEST元能科技），如下圖所示：

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圖1.原位膨脹分析系統示意圖

1.2 電芯信息

表1.電芯信息

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1.3 充放電流程

微信圖片_20240117102529.png

2、實驗數據及結果分析

2.1 膨脹剛度：

SWE2110設備選擇恒壓力測試模式，分別設置測試壓力10kg（0.02MPa），30kg（0.06MPa），50kg（0.10MPa），100kg（0.21MPa），200kg（0.42MPa），開啟充放電儀對電芯進行充放電，實時原位監測電芯在不同壓力條件下的厚度隨時間變化如圖2所示：隨著充電進行正極不斷脫鋰負極不斷嵌鋰，電芯厚度不斷增加，放電過程鋰離子不斷從負極脫出回嵌正極，厚度不斷減小，并且隨著壓力增加電芯厚度呈現減小趨勢。

圖片3.jpg

圖2.電芯在不同壓力下充放電厚度變化曲線

從圖2中選取不同SOC/DOD狀態下電芯的厚度，以初始壓力10kg為基準，依照剛度計算公式K=ΔF/Δδ（其中F為應力，δ為電芯厚度）計算不同SOC/DOD狀態電芯膨脹剛度，如表2所示：隨著壓力增加，電芯在各個SOC/DOD狀態都呈現增加趨勢，說明電芯膨脹剛度對施加壓力大小依存度較高。電芯不同SOC/DOD狀態膨脹剛度也存在差異，如下圖3所示：電芯充電初期膨脹剛度較大，之后隨著充電進行剛度減小并相對穩定；電芯放電過程中膨脹剛度呈現先增大后減小的過程，放電深度為30%~50%左右達到最大剛度。

表2.電芯各SOC膨脹剛度（左表充電過程，右表放電過程）

圖片4.jpg

圖片5.jpg

圖3.不同SOC/DOD狀態電芯膨脹剛度變化趨勢

2.2 壓縮剛度：

分別調整電芯SOC為0%，30%，50%，80%，100%，并用SWE2100調整壓力10kg（0.02MPa），30kg（0.06MPa），50kg（0.10MPa），100kg（0.21MPa），200kg（0.42MPa）并監控電芯厚度變化，測試電芯在各狀態下的壓縮剛度如下表3（左）所示電芯壓縮剛度和膨脹剛度差異大，膨脹剛度明顯小于壓縮剛度。因此直接用壓縮剛度反推膨脹剛度可能會存在較大的誤差。

表3.電芯剛度對比（左表壓縮剛度，右表膨脹剛度）

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3、小結

本文采用原位膨脹分析系統（SWE2100）恒壓力模式表征電芯的膨脹剛度和壓縮剛度，驗證了電芯剛度不僅與電芯狀態有關，而且與施加壓力大小也存在關聯，同時發現電芯膨脹剛度和壓縮剛度存在明顯差異。

4、參考文獻

[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,何見超,于奧,等.電芯膨脹剛度測試方法:202310112653[P][2024-01-15].

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