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1.前言

隨著新能源汽車(chē)的不斷發(fā)展，人們對(duì)車(chē)輛的續(xù)航里程和使用壽命提出了更高要求。如何在有限的空間內(nèi)布置更多的電池，工程師們沿著“去掉模組和梁，革新空間利用率”的思路，將電芯本身既作為電能儲(chǔ)存體，又作為承重結(jié)構(gòu)件，通過(guò)一系列努力最終制作出了刀片形狀的電芯。

刀片電池一般是磷酸鐵鋰材料制成的鋰離子電池。其獨(dú)特之處在于電池的形狀和尺寸，以及其生產(chǎn)工藝。刀片電池的形狀類(lèi)似于刀片，因此得名。這種設(shè)計(jì)使得電池可以直接嵌入到電池組中，省去了傳統(tǒng)的電池模組，從而提高了能量密度和電池組的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖1.刀片電池和傳統(tǒng)電池組裝對(duì)比

刀片電池大概又可以分為兩類(lèi)：長(zhǎng)刀片電池，如比亞迪的長(zhǎng)刀電池；以及短刀片電池，如蜂巢能源的短刀電池。據(jù)公開(kāi)資料顯示，比亞迪的長(zhǎng)刀電池其實(shí)本質(zhì)還是一種方形硬殼電池，只是采用長(zhǎng)薄型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。外形尺寸為960.0±10 mm × 90.0±1.0 mm × 13.5＋2.5/-1.5 mm。不同的型號(hào)尺寸略有不同，比如138Ah規(guī)格的刀片電池厚度約為12mm，而202Ah的刀片電池厚度約為13.5mm。拆解后發(fā)現(xiàn)極片尺寸約為正極944 mm ×83mm，負(fù)極946mm  ×85mm。而短刀電池長(zhǎng)度也達(dá)到500mm以上，如573 mm × 117 mm  × 21 mm。這種長(zhǎng)而薄的電芯設(shè)計(jì)與制造也具有一些難點(diǎn)：（1）長(zhǎng)薄型電芯的尺寸精確度要求較高，因?yàn)槿魏挝⑿〉某叽缙疃伎赡苡绊戨姵氐陌踩院碗娀瘜W(xué)性能；（2）長(zhǎng)薄型電芯通常采用疊片工藝，這種工藝對(duì)制造精度和質(zhì)量控制提出了更高的要求。疊片過(guò)程中需要保證每一層隔膜和電極片的對(duì)齊，以及整體的平整度，這中較長(zhǎng)的極片對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和工藝控制都是挑戰(zhàn)；（3）由于電芯的長(zhǎng)薄形狀，其機(jī)械強(qiáng)度和耐久性也是一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)。電芯在長(zhǎng)期使用過(guò)程中會(huì)受到各種力的作用，包括膨脹產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，因此需要具有一定剛度的殼體確保電芯的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

總之，刀片電芯與傳統(tǒng)的圓柱形和方形電芯相比，制造工藝更加嚴(yán)苛，采用多層“三明治”結(jié)構(gòu)，其中正負(fù)極極片和隔膜層交替堆疊，但在堆疊的過(guò)程中容易產(chǎn)生氣泡，電芯不平整、使得電池內(nèi)部壓力不均勻，影響其強(qiáng)度。因其特殊的工藝及結(jié)構(gòu)，目前對(duì)于單體刀片類(lèi)電芯的膨脹方面的機(jī)械性能表征較少，為此元能科技（廈門(mén)）有限公司一直致力于研發(fā)專(zhuān)用于表征刀片類(lèi)電芯膨脹性能的高精設(shè)備。

2.設(shè)備功能及參數(shù)

元能科技（廈門(mén)）有限公司推出的SWE3500膨脹設(shè)備，可用于表征短刀類(lèi)電芯膨脹行為，如圖2所示：主體結(jié)構(gòu)由高硬度及高耐磨性的鋼材制成，保證機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性及耐用性；測(cè)試壓板由高硬度絕緣材料制成，抗變形且提供絕緣保護(hù)；設(shè)備動(dòng)力系統(tǒng)采用伺服電機(jī)精準(zhǔn)調(diào)控，配合高精度位移傳感器、壓力傳感器全閉環(huán)實(shí)時(shí)監(jiān)制調(diào)控，再結(jié)合充放電儀，實(shí)現(xiàn)原位表征電芯膨脹力和膨脹厚度的功能。同時(shí)還集成高低溫箱設(shè)計(jì)，可模擬-20~80℃的測(cè)試環(huán)境。

 圖2.膨脹表征設(shè)備SWE3500

2.1 設(shè)備主要參數(shù)：

電芯兼容范圍(700-400mm)*(400~200mm)*100m（W*D*H）；

最大壓力5T，壓力傳感器精度0.3%F.S；

厚度傳感器分辨率 0.1μm；

控溫范圍：-20℃~80℃；

尺寸：1500x1700x2000mm。

2.2 設(shè)備測(cè)試模式：

恒壓力模式：電芯充放電過(guò)程中恒定壓力，測(cè)試電芯膨脹厚度變化；

恒間隙模式：電芯充放電過(guò)程中恒定間隙，測(cè)試電芯膨脹力變化；

穩(wěn)態(tài)壓縮模式：評(píng)測(cè)靜態(tài)電芯應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

3.應(yīng)用案例

3.1 電芯信息：

3.2 充放電流程：

3.3 膨脹性能表征：

分別設(shè)置恒壓力1000kg，恒間隙1000kg測(cè)試電芯膨脹厚度和膨脹力，如下圖3所示：厚度和膨脹力變化曲線均隨電芯電壓曲線呈現(xiàn)規(guī)律性變化，并且兩曲線趨勢(shì)相似，都有LFP/Gr體系特有的“駝峰”現(xiàn)象。

圖3.電芯膨脹厚度和膨脹力隨電壓變化曲線

對(duì)靜態(tài)電芯施加不同的壓力，如圖4左圖（初始?jí)毫?0kg，以500kg步進(jìn)增大直至5000kg后，再以500kg卸壓至50kg）,同時(shí)記錄電芯不同壓力下的厚度變化，得到電芯應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4右圖：此電芯受壓5000kg時(shí)最大形變量為1.71%，重新卸壓后不可逆反彈0.54%，從而計(jì)算可得此過(guò)程的可逆反彈為1.17%。

圖4.壓力控制曲線（左圖）電芯應(yīng)力-應(yīng)變曲線（右圖）

這種長(zhǎng)薄型的刀片電池在電池散熱、電池包成組方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。但是，同樣需要注意電芯在設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中的均勻性，由于刀片電池尺寸較長(zhǎng)，生產(chǎn)過(guò)程中需要精確控制極片的制造和裝配過(guò)程，以確保電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一致性。在整個(gè)生產(chǎn)流程中，從極片制造到注液等步驟，都需要嚴(yán)格的質(zhì)量控制，以避免因生產(chǎn)不均導(dǎo)致的電池性能下降。長(zhǎng)薄型的電芯在膨脹收縮過(guò)程中也容易出現(xiàn)內(nèi)部應(yīng)力不一致的情況，從而導(dǎo)致厚度的不均勻性。我們應(yīng)該通過(guò)改進(jìn)電芯的設(shè)計(jì)，更有效地管理內(nèi)部應(yīng)力。例如，優(yōu)化殼體材料可以減少由于膨脹引起的應(yīng)力集中。疊片過(guò)程中確保電極片和隔膜的質(zhì)量和尺寸精度，以及它們之間的均勻壓合，有助于減少內(nèi)部應(yīng)力的不一致性。在組裝過(guò)程中對(duì)電芯施加合理分布的的預(yù)壓力，達(dá)到預(yù)先補(bǔ)償膨脹引起的應(yīng)力，保持電芯的穩(wěn)定。因此，我們需要更加全面系統(tǒng)地研究刀片電池的膨脹收縮過(guò)程，優(yōu)化電芯和電池包的設(shè)計(jì)。元能科技（廈門(mén)）有限公司推出的專(zhuān)用于表征刀片類(lèi)電芯膨脹性能的高精設(shè)備能夠?yàn)槠涮峁┍碚餮b置和方法，可有效改善工藝和設(shè)計(jì)合理性。

4.總結(jié)

元能科技推出大尺寸電芯膨脹力表征設(shè)備，可原位精準(zhǔn)表征大尺寸電芯膨脹厚度、膨脹力、應(yīng)力-應(yīng)變等相關(guān)性能。幫助于工程師對(duì)正負(fù)極材料改性工藝的篩選，明確最佳改性工藝；加快電芯研發(fā)進(jìn)度，研發(fā)更安全可靠的電芯；同時(shí)也可以摸索最佳的使用工況，提升電芯的使用壽命。

5.參考文獻(xiàn)

[1]“新能源電池包技術(shù)”公眾號(hào)：【刀片電池風(fēng)云緣起】比亞迪刀片電池解析3.0；

[2]The Analysis on the Principle and Advantages of Blade Battery of BYD -- A Domestic New Energy Manufacturer，DOI：10.1051/shsconf/202214402003