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隨著電動汽車的快速發(fā)展,，電動車在道路上的占有率也越來越高，給人們提供便利的同時,，也不可避免的存在很多安全隱患,，其中汽車碰撞事故是需要重點關(guān)注的安全問題。鋰離子電池是電動汽車的儲能裝置，儲存著巨大的能量,。盡管鋰離子電池被安裝在汽車底盤上不易變形的位置,，但一旦遭到撞擊，就極有可能對電池造成破壞,，引起短路失效,，最終導(dǎo)致起火甚至爆炸，對人們的生命財產(chǎn)安全造成極大的威脅,。因此,，對鋰離子電池的力學(xué)特性進行清晰準(zhǔn)確的認(rèn)識和系統(tǒng)的研究，明確鋰離子電池在不同碰撞或壓縮條件下產(chǎn)生的力學(xué)響應(yīng)是十分必要的,。

鋰離子電池的力學(xué)性能試驗是研究其各項力學(xué)性能的重要手段,，研究內(nèi)容也通常圍繞多個尺度來實現(xiàn)，主要結(jié)合微觀尺度,、介觀尺度,、宏觀單體尺度以及宏觀系統(tǒng)尺度的層級路線。圖1為鋰離子電池多個尺度示意圖,，各尺度之間相對獨立又直接影響,。從鋰離子電池單體尺度上看，它主要是由陰陽極片,、隔膜,、電解液以及鋁塑膜或鋼殼等組成密封的復(fù)雜體。各組分具有不同的機械力學(xué)性能,，并且隨著充放電循環(huán)和老化,，其內(nèi)部組分狀態(tài)也在不斷的變化。本文采用元能科技的原位膨脹分析系統(tǒng),，通過關(guān)聯(lián)單體電池SOC以及SOH等參數(shù),，監(jiān)測電池壓力和厚度形變情況，對電池的壓縮性能進行關(guān)聯(lián)性評估,，為鋰離子電池不同狀態(tài)下力學(xué)性能研究提供一種可行的方法,。該方法實際測定的壓縮性能指標(biāo)也可作為電池仿真模擬的有效的理論支撐數(shù)據(jù)。

圖1.鋰離子電池的多個研究尺度

1.實驗設(shè)備與測試方法

1.1 實驗設(shè)備：

原位膨脹分析儀,，型號SWE2110（IEST元能科技）,如下圖所示： 

圖2.SWE2110設(shè)備外觀圖

1.2 測試信息及流程：

1.2.1 電池信息如表1所示,。

表1. 測試電池電池信息 

1.2.2 充放電流程： 

1.2.3 實驗流程：電池壓縮模量測試：將待測電池放入SWE2110對應(yīng)通道，開啟MISS軟件,，設(shè)置壓力調(diào)控流程,、采樣頻率、充放電流程等,，軟件自動讀取電池厚度,、厚度變化量,、測試溫度、電流,、電壓,、容量等數(shù)據(jù)。 

2.實驗結(jié)果與分析

原位膨脹分析儀（SWE2110）開啟壓縮實驗（穩(wěn)態(tài)）模式,，設(shè)置壓力調(diào)節(jié)方式如圖3（a）所示：初始壓力為10kg, 加壓步進100kg,，每個壓力保壓10S，直至1000kg,，然后再卸壓,，卸壓步進100kg，每個壓力保壓10S,，直至10kg完成實驗,。

選取三個新鮮電池，調(diào)節(jié)不同SOC狀態(tài)（0%,，50%,，100%），并按圖3(a)調(diào)節(jié)壓力分別對三個電池進行穩(wěn)態(tài)壓縮實驗,。結(jié)果如圖3（b）所示：加壓階段，隨著壓力不斷增大,，電池厚度不斷被壓縮,；卸壓階段，隨著壓力不斷減小,，電池厚度不斷反彈,。同時發(fā)現(xiàn)電池不同狀態(tài)壓縮程度不一樣，隨著SOC增大電池顯示更易被壓縮,，這可能正負(fù)活性材料在不同脫嵌鋰狀態(tài)下本身的性能不一致以及不均勻性有關(guān),。不同SOC下電池電極內(nèi)部也會發(fā)生變化。比如對于石墨電極,，隨著嵌入不同量的鋰,，石墨晶格沿著c軸膨脹10%，而石墨往往平行于集流體排布,，因此石墨電極主要早厚度方向上膨脹與收縮,。這種體積變化又會使微觀顆粒和孔在（脫）鋰化過程中彼此輕微變形和重新排序，影響離子和電子的傳輸,，從而在厚度方向上產(chǎn)生SOC和體積變化的不均勻性,，甚至可能出現(xiàn)電極表面的頂部電極收縮，底部電極膨脹,。此外,，石墨和LCO材料在不同的嵌鋰量條件下材料的彈性模量,、泊松比和密度都會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致不同的力學(xué)性能,。

同時,對電池進行大倍率充放電循環(huán),，以初始容量為基準(zhǔn)，當(dāng)電池容量降至初始容量的85%時,，設(shè)定電池健康狀態(tài)為85%SOH,，同理容量為80%時電池健康狀態(tài)為80%SOH。對比圖3(b) (c) (d)可發(fā)現(xiàn)不同SOH條件下,， 不同SOC電池的壓縮程度存在差異,。這說明電池的壓縮模量不僅與SOC有關(guān)，還與電池的SOH狀態(tài)有關(guān),。并且隨著電池的老化(本次實驗以加大充放電倍率老化),，SOC的影響因素有逐漸減弱的趨勢。電池在循環(huán)老化過程中,，由于各種機械和化學(xué)過程,，電池性能不斷下降，電池池降解機制包括集流體腐蝕,，活性材料的形態(tài)變化,，電解質(zhì)分解，固體電解質(zhì)界面（SEI）層形成和材料溶解,。此外,，電池的機械損傷也會加速化學(xué)降解，比如在這個插層過程中,，體積變化會在顆粒內(nèi)部引起相當(dāng)大的應(yīng)力,，導(dǎo)致機械故障，例如活性材料的粉碎或裂縫和斷裂,。這些裂紋在顆粒上產(chǎn)生新的表面,，然后暴露在電解質(zhì)中，導(dǎo)致額外的SEI層形成以及容量衰減,。這些衰減情況同樣也會影響電極的膨脹收縮過程,。

圖3.(a)調(diào)壓方式 (b) (c) (d)不同SOH下電池壓縮模量曲線

進一步地，在相同SOC狀態(tài)下,，對比不同SOH下的電池壓縮性能,。電池壓縮模量與SOH關(guān)聯(lián)如圖4所示：隨著SOH降低最大形變量不斷增加，壓縮模量減小,，不可逆形變亦不斷增加,，如表2所示。這可能與電池在大倍率老化時,，正負(fù)極活性材料不斷進行快速鋰化/脫鋰,，不僅引起活性材料結(jié)構(gòu)變化,、破碎、溶解,，還伴隨有各種副反應(yīng),，導(dǎo)致SEI膜生長，負(fù)極析鋰,，電池產(chǎn)氣等有關(guān),。活性材料破碎,、SEI膜生長以及析鋰使電池不可逆形變增大,，又由于SEI膜及鋰枝晶壓縮模量遠小于陰陽極片，從而使得老化后電池最大壓縮形變明顯增大,。另外副反應(yīng)產(chǎn)氣也會改變陰陽極片的接觸緊密程度,，從而影響電池的壓縮性能?？傊姵貕嚎s模量與電池SOH是息息相關(guān)的,。

圖4.電池不可逆厚度變化曲線

表2.電池壓縮性能匯總

3.總結(jié)

本文采用元能科技的原位膨脹分析儀（SWE），分析了三元/石墨體系電池壓縮性能與SOC及SOH間的關(guān)聯(lián)性,，實驗表明電池的壓縮性能并非靜態(tài)不變的,，而是隨SOC、SOH等因素變化,。相應(yīng)的關(guān)聯(lián)性可為相關(guān)技術(shù)人員設(shè)計更可靠產(chǎn)品,，為仿真技術(shù)人員提供更加真實數(shù)據(jù)，提升仿真效果,。 

參考資料

【1】楊博達. 電動汽車用鋰離子動力電池的壓縮力學(xué)特性研究[D]. 湖南大學(xué)

【2】Zhang J, Huang H, Sun J. Investigation on mechanical and microstructural evolution of lithium-ion battery electrode during the calendering process[J]. Powder Technology, 2022, 409: 117828.