1. 摘要

在未來市場的角逐中，大圓柱電池核心優(yōu)勢聚焦于高安全性、卓越的高倍率充放電能力、頂尖的能量密度以及高性價(jià)比。其堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予了極高的結(jié)構(gòu)剛性，這一特性曾普遍被視為在電池充放電循環(huán)中體積保持穩(wěn)定的保證。然而，深入探究之下，我們不禁要問：大圓柱電池真的能做到體積紋絲不動嗎？

通過精密原位測試，我們揭示了真相：以21700型號的小圓柱電池（采用三元材料體系，容量4.2Ah）為例，在0.5C的充放電速率下，其前三圈循環(huán)中的最大體積變化率僅為0.013%，幾乎可以忽略不計(jì)。但當(dāng)我們轉(zhuǎn)向容量更大、達(dá)到33Ah的4695型號大圓柱電池（同樣基于三元體系，以0.1C速率充放）時(shí)，情況有所不同——其體積變化率顯著提升至0.22%，更為重要的是，這一體積變化與電池電壓曲線的波動趨勢緊密相隨，呈現(xiàn)出高度的一致性。

這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了大圓柱電池在體積穩(wěn)定性上的微妙變化，更凸顯了這種變化與電池性能之間的微妙聯(lián)系。尤為引人注目的是，大圓柱電池在體積變化量上遠(yuǎn)超小圓柱電池，差距之大，竟超過十倍之多，這一顯著差異對于電池設(shè)計(jì)、安全性能評估及長期使用穩(wěn)定性等方面，都提出了新的挑戰(zhàn)與考量。

綜上所述，大圓柱電池雖以其諸多優(yōu)勢引領(lǐng)行業(yè)潮流，但在追求極致性能的同時(shí)，其體積變化的特性亦不容忽視，特別是在設(shè)計(jì)優(yōu)化、安全管控及性能預(yù)測等方面，需給予更為細(xì)致的關(guān)注與研究。

關(guān)鍵詞：#圓柱膨脹#，#圓柱體積變化#，#圓柱電池原位測試#，#充放電#

2. 應(yīng)用案例

大圓柱電池，如特斯拉的4680電池，在安全性、壽命、續(xù)航里程、性價(jià)比和快充等方面均具備顯著優(yōu)勢。

電池在循環(huán)過程中體積會顯著增加，固體-電解質(zhì)界面（SEI）的形成和生長、熱膨脹以及氣體的產(chǎn)生，這些因素會導(dǎo)致電池體積膨脹。這種體積膨脹不僅在電池不同部件之間增加了內(nèi)部應(yīng)力，而且在電池組中的相鄰電池之間也引入了壓力。此外，電池經(jīng)歷的連續(xù)膨脹和收縮循環(huán)還增加了機(jī)械故障的風(fēng)險(xiǎn)。因此，體積膨脹是評估電池在長期使用過程中結(jié)構(gòu)和容量衰減的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。為了更深入地了解大圓柱電池的膨脹與收縮特性，對4695型號電池與21700電池對比測試，從而更準(zhǔn)確地評估大圓柱電池的體積變化特性以及其對電池使用壽命的影響。設(shè)備測試過程如下：電池由成像系統(tǒng)進(jìn)行成像，經(jīng)軟件處理輸出體積變化率與電壓關(guān)系變化曲線（圖1）。

圖1：測試過程

電池樣品信息：

實(shí)驗(yàn)平臺：IEST元能科技-CCS1300（圓柱電池原位膨脹測試系統(tǒng)）

測試條件：溫度：25度

3. 結(jié)果與討論

在電池測試或任何需要精確控制溫度的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，確保溫度均勻性是非常關(guān)鍵的。當(dāng)前測試溫度各通道溫差均在25±1℃（圖2）波動范圍內(nèi)，滿足溫度條件。

圖2：溫度測試曲線

圓柱電池（無論是21700型號還是4695型號）在充放電過程中確實(shí)會發(fā)生一定的體積變化，這是電池工作時(shí)的正常現(xiàn)象。然而，值得注意的是，4695圓柱電池的最大體積膨脹量（0.22%，圖3）顯著高于21700圓柱電池（0.013%，圖4），達(dá)到了后者的10倍以上。

這種體積膨脹量的差異可能由以下幾個(gè)因素造成：

電池容量和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：與軟包電池的柔性鋁塑膜外殼不同，圓柱形電池的剛性金屬外殼阻礙了內(nèi)部膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力的釋放。金屬外殼和內(nèi)部卷芯之間的非均勻接觸會導(dǎo)致微小的空隙，從而導(dǎo)致不均勻的應(yīng)力分布，如圖5所示。4695圓柱電池相比21700電池具有更大的容量和更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。更大的容量意味著卷芯卷繞了更多的層數(shù)，這可能導(dǎo)致電池的體積變化更加不均勻，電池內(nèi)部應(yīng)力更大，從而導(dǎo)致電池金屬外殼更顯著的變形。同時(shí)，更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能使得電池在應(yīng)對體積變化時(shí)的彈性或緩沖能力較弱，從而加劇了體積膨脹的現(xiàn)象。

材料特性：不同型號的圓柱電池可能采用了不同的電極材料和電解液配方。這些材料在充放電過程中的膨脹和收縮特性可能有所不同，從而導(dǎo)致電池整體的體積變化量存在差異。此外，電池金屬外殼的厚度和強(qiáng)度等特性也會顯著影響電池整體的變形，更厚強(qiáng)度更高的金屬殼能夠承受更大的應(yīng)力，產(chǎn)生更小的變形量。

制造工藝：電池的制造工藝也會影響其體積穩(wěn)定性。例如，電極的涂布均勻性、卷繞或疊片的緊密度、以及電池殼體的密封性等，都可能對電池的體積變化產(chǎn)生影響。特別是電芯內(nèi)部的裝配松緊度（卷芯與殼體之間預(yù)留的空隙尺寸），當(dāng)預(yù)留空間更大時(shí)，電池內(nèi)部能夠收納更大的卷芯形變，作用在外殼上的力更小，電池變形更小。

測試條件：雖然溫度各通道溫差在可控范圍內(nèi)，但其他測試條件（如充放電速率、充放電深度、循環(huán)次數(shù)等）也可能對電池的體積變化產(chǎn)生影響。

圖3：21700體積&電壓變化曲線

圖4：4695體積&電壓變化曲線

圖5：圓柱形電池的體積變化的機(jī)制示意圖

在圓柱電池降本和延壽過程中，殼體材料選擇、殼體厚度及設(shè)計(jì)強(qiáng)度、裸電芯與殼體間隙設(shè)計(jì)以及不同充放電倍率下的膨脹量差異都是關(guān)鍵因素。通過合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化以及全面的檢測方法，可以確保圓柱電池的性能和安全性得到有效提升。

4. 總結(jié)

總之，圓柱電池在充放電過程中的體積變化是一個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象，需要綜合考慮多種因素來進(jìn)行分析和優(yōu)化。通過不斷的研究和改進(jìn)，期待未來出現(xiàn)更加穩(wěn)定、安全和高性能的圓柱電池產(chǎn)品。

5. 參考文獻(xiàn)

Wenxuan Jiang, Haoran Li, Sicong Wang, Sa Wang and Wei Wang，Dynamic Volumography of Cylindrical Li-Ion Battery Cells by Watching Its Breath During Cycling，CCS Chemistry. 2023;5:1308–1317