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1. 背景

鋰離子電池由于具有高能量密度、高功率特性、長(zhǎng)壽命、較低的成本及相對(duì)高的安全性，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。雖然鋰離子電池的應(yīng)用十分廣泛，但在實(shí)際應(yīng)用中，還存在諸多問(wèn)題需要解決。其中，鋰離子電池在充放電過(guò)程中，會(huì)伴隨著不同程度的膨脹，膨脹過(guò)程中會(huì)呈現(xiàn)出鋰離子電池對(duì)外的一個(gè)作用力，即膨脹力。膨脹力的出現(xiàn)，會(huì)給電芯和模組均帶來(lái)危害。鋰離子電池充放電引起的膨脹力一方面會(huì)影響電池裝配空間的形變，另一方面，不可逆的膨脹累積也會(huì)引起結(jié)構(gòu)材料的破壞，從而加快容量衰減。如果膨脹力過(guò)大，預(yù)留裝配間隙較小時(shí)，殼體材料無(wú)法抵抗膨脹力，電子設(shè)備可能面臨外殼被頂開或更加嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。如果預(yù)留裝配間隙過(guò)大，可能導(dǎo)致電池的體積密度設(shè)計(jì)保守，沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。解決電芯膨脹力問(wèn)題成為了行業(yè)內(nèi)研究的一個(gè)重點(diǎn)，具體而言有兩個(gè)思路：一是進(jìn)行物理限制；二是預(yù)留膨脹間隙，這兩種思路往往同時(shí)進(jìn)行。

因此，當(dāng)鋰離子電池裝配在電池倉(cāng)中時(shí)，鋰離子電池與電池倉(cāng)的倉(cāng)壁應(yīng)預(yù)留合適的裝配間隙，通過(guò)不同裝配間隙下測(cè)試的膨脹力大小可以評(píng)估并設(shè)計(jì)最佳裝配間隙。

圖1.鋰離子電池膨脹頂殼現(xiàn)象

2. 影響因素

鋰離子電池膨脹形成的原因主要有以下幾個(gè)方面^[1]：

2.1 可逆形變

鋰電池在充放電過(guò)程中，鋰離子會(huì)在負(fù)極、電解液、正極之間來(lái)回穿梭，鋰離子在正負(fù)極上的嵌入與脫嵌均會(huì)使電池發(fā)生一定程度的可恢復(fù)膨脹變形，即可逆形變。鋰電池在使用過(guò)程中發(fā)生的可逆形變主要與參與充放電過(guò)程的鋰離子數(shù)量有關(guān)，鋰電池充電過(guò)程中，由于鋰離子嵌入石墨層間距，使得負(fù)極中石墨晶格之間的距離不斷增大，宏觀表現(xiàn)為陽(yáng)極極片的厚度增加，電芯厚度增加。而放電過(guò)程，負(fù)極中的鋰離子又開始游離回到正極，恢復(fù)鋰電池最初的形狀^[2]。

2.2 不可逆形變

鋰離子電池的不可逆形變可分為三類：其一是SEI 膜的生長(zhǎng)；其二是活性顆粒與極片斷裂；其三則是產(chǎn)氣。

2.2.1 負(fù)極SEI膜生長(zhǎng)增厚

SEI膜形成于鋰電池首次充電階段，當(dāng)電壓到達(dá)1.5 V左右時(shí)，負(fù)極與電解液持續(xù)發(fā)生不可逆反應(yīng)，生成物覆蓋于負(fù)極表面，不可逆反應(yīng)直至負(fù)極被完全覆蓋才停止，此時(shí)便形成了對(duì)負(fù)極起保護(hù)作用且不會(huì)影響鋰離子自由通行的SEI膜。

Louli等^[3]針對(duì)鋰電池內(nèi)壓與壽命之間的關(guān)聯(lián)展開了研究，在研究中發(fā)現(xiàn)SEI膜會(huì)造成鋰電池不可逆地體積膨脹，從而導(dǎo)致鋰電池性能下降。鋰電池充電過(guò)程中，隨著鋰離子的不斷嵌入，負(fù)極上的活性顆粒發(fā)生相應(yīng)的體積膨脹，導(dǎo)致負(fù)極表面的SEI膜無(wú)法承受變化后的應(yīng)力而破裂，負(fù)極上的活性顆粒暴露出新鮮界面與電解液重新接觸反應(yīng)，SEI膜破裂反而促進(jìn)SEI膜生長(zhǎng)增厚，由于SEI膜一層層地附著于負(fù)極表面，導(dǎo)致負(fù)極體積膨脹，進(jìn)而表現(xiàn)為軟包鋰電池的膨脹現(xiàn)象，如下圖2所示。

圖2.負(fù)極SEI膜生長(zhǎng)原理圖^[4]

2.2.2 活性顆粒與極片斷裂 

極片作為鋰電池的核心之一，主要由活性物質(zhì)顆粒、導(dǎo)電劑和黏結(jié)劑相互混合的組成相、填滿電解液的孔隙組成。循環(huán)使用過(guò)程中，由于脫鋰與嵌鋰運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致陽(yáng)極極片結(jié)構(gòu)破壞以及活性物質(zhì)顆粒的斷裂，是造成鋰電池不可逆形變的重要原因。

2.2.3 產(chǎn)氣膨脹

鋰電池在整個(gè)正常充放電循環(huán)中都會(huì)伴隨著不同程度的產(chǎn)氣膨脹，其中電解液分解為最主要的產(chǎn)氣反應(yīng)。電解液分解有兩種情況，一種是由于電池的氣密性不好，使得空氣中的水分進(jìn)入其中，導(dǎo)致產(chǎn)生CO2、H2、O2等氣體；另一種是SEI膜不能完全抑制電子的穿過(guò)，導(dǎo)致電解液中的EC、DEC等溶劑與之反應(yīng)生成大量自由基，經(jīng)過(guò)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)釋放出大量烴類氣體。此外，電芯濫用工況，如過(guò)充，短路情況下，由于電池內(nèi)部溫度急劇升高，使得多個(gè)副反應(yīng)變得更為劇烈，從而導(dǎo)致電池內(nèi)部積累了大量的氣體，鼓包現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，最終爆炸起火。

3. 膨脹力測(cè)試方法

由于軟包裝鋁塑膜具有延展性，剛度很小，在電池內(nèi)部受力時(shí)會(huì)鼓脹起來(lái)，電池易發(fā)生膨脹現(xiàn)象，可以利用其膨脹在鋰電池內(nèi)造成的壓力變化作為鋰電池安全預(yù)警的重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的膨脹力測(cè)試方法是測(cè)試裝置設(shè)有三片夾板，相鄰兩個(gè)夾板之間用于夾持壓力傳感器或電芯，外部設(shè)有加載部件，通過(guò)對(duì)夾板或電芯施加設(shè)定的預(yù)緊力，測(cè)試充放電過(guò)程中的膨脹力，電芯和夾板在初始狀態(tài)有接觸且存在相互作用力。限制電芯空間的構(gòu)件具有一定的剛度，自身也會(huì)發(fā)生一定形變，比如測(cè)試夾板，電池的外殼或模組的緊固件。原位膨脹分析儀（SWE）在恒定壓力作用下監(jiān)控電芯的厚度演變，這種模式能夠有效地檢測(cè)電池的膨脹過(guò)程，但是沒(méi)有考慮實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下結(jié)構(gòu)件本身的形變，特別是對(duì)于硬殼電池。此時(shí)，所測(cè)試的電芯不是自由膨脹過(guò)程，本身受到測(cè)試夾具剛度的影響，無(wú)法評(píng)估電芯裝配間隙的設(shè)計(jì)優(yōu)劣。

實(shí)際電池設(shè)計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)景中，沿鋰離子電池的厚度方向，鋰離子電池在上表面與電池倉(cāng)的倉(cāng)壁有一定的裝配間隙，鋰離子電池在初始狀態(tài)與電池倉(cāng)的倉(cāng)壁處于非接觸狀態(tài)且沒(méi)有相互作用力。為解決傳統(tǒng)方法測(cè)試膨脹力的局限性，避免預(yù)留裝配間隙較小時(shí)，殼體材料無(wú)法抵抗膨脹力，電子設(shè)備可能面臨外殼被頂開或更加嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。元能科技（廈門）利用自主研發(fā)的消費(fèi)類電池膨脹分析系統(tǒng)（CBS）準(zhǔn)確設(shè)定測(cè)量間隙（厚度測(cè)量分辨率為0.01μm，厚度測(cè)量精度為0.1μm），實(shí)時(shí)獲得充放電過(guò)程中不同間隙下的膨脹力數(shù)據(jù)，助力設(shè)計(jì)最佳裝配間隙。

圖3.消費(fèi)類電池膨脹分析系統(tǒng)示意圖

圖3.不同設(shè)定間隙的充放電膨脹力

被測(cè)電芯在0%SOC時(shí)的厚度為3.840mm，長(zhǎng)度為84.019mm，寬度為44.034mm。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)定了三種不同的間隙3.840 (3.840*1)mm，3.878(3.840*1.01)mm ，3.917(3.840*1.02)mm，分別對(duì)電芯從0%SOC開始進(jìn)行充放電過(guò)程中的原位恒間隙-離位模式下的膨脹力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3所示，可以看出：在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中由于正負(fù)極材料的脫嵌鋰相變，電芯整體呈現(xiàn)充電膨脹、放電收縮的趨勢(shì)。每一種間隙下，隨循環(huán)的進(jìn)行，膨脹力均逐漸增大。這主要是由于在充電過(guò)程中，負(fù)極顆粒較大的體積效應(yīng)導(dǎo)致表層的SEI出現(xiàn)破裂，露出新鮮的界面，進(jìn)而導(dǎo)致SEI不斷修復(fù)和增厚，膨脹應(yīng)力增長(zhǎng)或者部分鋰離子可能無(wú)法完全從陽(yáng)極脫嵌，在循環(huán)過(guò)程中作為不溶性副產(chǎn)物沉積在陽(yáng)極表面，導(dǎo)致電池極片厚度增加，膨脹應(yīng)力增長(zhǎng)。膨脹應(yīng)力的快速增長(zhǎng)會(huì)帶來(lái)很多不利影響，如：（1）破壞裝配電芯的機(jī)械結(jié)構(gòu)；（2）電極膨脹導(dǎo)致卷芯變形，惡化電極界面間的穩(wěn)定性；（3）膨脹導(dǎo)致的副反應(yīng)使阻抗增加，容量快速衰減[5]。此外，從測(cè)試結(jié)果還可看出，不同間隙對(duì)應(yīng)的膨脹力有明顯的差異，隨間隙的減小，膨脹力增長(zhǎng)速率變大，充電過(guò)程最大膨脹力變大，這主要是由于隨間隙的減小，充電過(guò)程中電芯相對(duì)較早接觸到測(cè)試上壓板，機(jī)械約束增加了軟包電池厚度膨脹的阻力。

4. 總結(jié)

本文采用元能科技（廈門）有限公司的消費(fèi)類電池膨脹分析系統(tǒng)對(duì)設(shè)定三種不同間隙模式進(jìn)行了充放電過(guò)程中的原位恒間隙-離位模式下的膨脹力測(cè)試。從測(cè)試結(jié)果可看出，不同的裝配間隙對(duì)應(yīng)的膨脹力變化有明顯差異，所以，在確定為消費(fèi)類電池預(yù)留多少裝配空間尺寸時(shí)，需要根據(jù)電池在循環(huán)過(guò)程中的膨脹力增長(zhǎng)程度和裝配空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體情況來(lái)確定。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)該預(yù)留足夠的空間來(lái)容納不斷膨脹的電池，避免造成由膨脹引起的外殼被頂開或更加嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。

5. 參考文獻(xiàn)

[1] 梁浩斌,杜建華,郝鑫等.鋰電池膨脹形成機(jī)制研究現(xiàn)狀[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2021,10(02):647-657. 

[2] Li R, Ren D, Guo D, et al. Volume deformation of large-format lithium ion batteries under different degradation paths[J]. Journal of the Electrochemical Society, 2019, 166(16): 4106-4114. 

[3] Louli A.J, Ellis L.D, Dahn J.R. Operando pressure measurements reveal solid electrolyte interphase growth to rank Li-ion cell performance[J]. Joule, 2019, 3(3): 745-761.

[4] Zhang N, Tang H. Dissecting anode swelling in commercial lithium-ion batteries[J]. Journal of Power Sources, 2012, 218: 52-55.

[5] 牛少軍，吳凱，鄭洪河等. 鋰離子電池硅基負(fù)極循環(huán)過(guò)程中的膨脹應(yīng)力[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2022, 11(9):2989-2994.