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鋰電池的主要封裝形式有三種，分別是軟包、方形和圓柱。軟包電芯采用鋁塑膜作為封裝材料，具有設(shè)計(jì)靈活性和多樣的型號(hào)，外形可根據(jù)客戶需求進(jìn)行定制。軟包電芯具有較小的內(nèi)阻和高能量密度，在失效時(shí)通常會(huì)產(chǎn)生脹氣并裂開。然而，軟包電芯存在一致性差的問題，并且容易發(fā)生漏液。方形電芯通常采用鋁合金、不銹鋼等材料作為殼體，具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和良好的承受機(jī)械載荷能力。方形電芯的成組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)能量密度相對(duì)較高。然而，不銹鋼材質(zhì)會(huì)導(dǎo)致電芯重量偏重，從而影響能量密度。此外，方形電芯的制作工藝較為復(fù)雜，良品率和一致性不如圓柱形鋰電芯。圓柱電芯具有悠久的歷史和較高的市場(chǎng)普及率，采用了相當(dāng)成熟的卷繞工藝，具有較高的自動(dòng)化程度、穩(wěn)定的品質(zhì)和相對(duì)較低的成本。

目前，對(duì)于評(píng)測(cè)電芯膨脹性能，方形和軟包電芯已經(jīng)可以通過相應(yīng)的方法來表征其膨脹行為。然而，由于圓柱電芯本身結(jié)構(gòu)的特殊性，尚未明確確定其膨脹表征方法。因此，本文旨在通過數(shù)學(xué)理論計(jì)算圓柱電芯的膨脹特征，并提供一種描述圓柱電芯膨脹力的表征方法。

1.測(cè)試信息

1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備：

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

圖1.原位膨脹分析系統(tǒng)示意圖

2.結(jié)果分析

2.1 圓柱電芯膨脹分析

對(duì)圓柱殼體進(jìn)行應(yīng)力分析，如下圖2所示：在內(nèi)壓p_i的作用下，每個(gè)單元體會(huì)受到三個(gè)應(yīng)力，σ_a是沿著圓柱高度的軸向應(yīng)力，來自圓柱兩頭端面的受力，會(huì)引起圓柱高度的變化。σ_r是沿著垂直于圓柱表面的徑向應(yīng)力，沿著直徑方向向外，有著引起殼體表面出現(xiàn)向外變形的趨勢(shì)。σ_t是沿著圓柱周向的環(huán)向應(yīng)力，會(huì)引起殼體周長(zhǎng)的變化。所以σ_r和σ_t都是引起殼體膨脹的原因。

圖2.圓柱電芯殼體應(yīng)力分解

依照厚壁圓筒切應(yīng)力理論推導(dǎo)三應(yīng)力表述如下①②③。以3665電芯為例：內(nèi)徑ri為17.7mm，外徑r₀為18.0mm，在常壓下P₀為0.1MPa，假設(shè)化成后內(nèi)壓P_i為1.0MPa，計(jì)算可得σ_r為-0.1MPa， σ_t為52.6MPa，σ    為26.2MPa。即電芯膨脹主要為軸向和周向方向應(yīng)力所致。

忽略σr影響，進(jìn)一步再結(jié)合鋼殼的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律（式④）及周長(zhǎng)公式（式⑤）可得殼體直徑變化。以鋼材質(zhì)彈性模量E為210GPa，泊松比υ為0.3，計(jì)算可得滿充態(tài)（假設(shè)此時(shí)內(nèi)壓P₁為1.2MPa）時(shí)徑向膨脹約9.4μm，若滿放后回到化成后狀態(tài)，即內(nèi)壓為1.0MPa，此時(shí)徑向膨脹量為7.7μm，則電芯充放電過程中徑向膨脹厚度約為1.7μm。依此條件此方法計(jì)算不同型號(hào)電芯充放電形變量如下表1所示，可得圓柱電芯充放電過程中電芯徑向基本無膨脹。在實(shí)際中化成后內(nèi)壓可能達(dá)不到1.0MPa，也有些工藝是先化成后封口，也說明實(shí)際中形變量會(huì)比表1計(jì)算值更小。

表1.不同型號(hào)電芯充放電徑向計(jì)算

具有柔性鋁塑膜軟包電池厚度變化特別明顯，容易實(shí)現(xiàn)測(cè)量。但是由于硬殼體的結(jié)構(gòu)剛性，圓柱形電池表現(xiàn)出小得多的直徑膨脹（約0.1%），因此很難觀察到可逆和不可逆的電池直徑變化。但是，由于固體電解質(zhì)界面（SEI）層和Li電鍍等不可逆的層厚度增長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致體積變化，并且由于副反應(yīng)而產(chǎn)生的氣體，也會(huì)導(dǎo)致殼體內(nèi)部的壓力增加，殼體內(nèi)部的電芯在充放電過程中肯定會(huì)發(fā)生膨脹和收縮。為了了解電池內(nèi)部發(fā)生哪些潛在的機(jī)械過程，需要合適的測(cè)量方法來記錄和分析諸如電極厚度和電芯部件的體積變化之類的參數(shù)。評(píng)估電池的結(jié)構(gòu)特征通常會(huì)使用X射線、計(jì)算機(jī)斷層掃描、中子和超聲成像等方法來獲取應(yīng)變、應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等綜合信息。雖然這些技術(shù)功能強(qiáng)大，但由于需要特殊的設(shè)備、成本較高，而且這些高能量源在電池操作中不可避免地會(huì)造成干擾，所以這些方法通常被用作離線診斷技術(shù)。

2.2 圓柱卷芯膨脹力表征

鑒于圓柱電芯徑向基本無膨脹，因此無法直接從電芯外面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。表1中的膨脹變化量與元能科技的原位膨脹分析系統(tǒng)（SWE2100）恒間隙模式下的控制波動(dòng)±1μm相當(dāng)，因此可用SWE2100設(shè)備能很好的模擬圓柱電芯外殼對(duì)卷芯的束縛，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圓柱卷芯膨脹力的表征。測(cè)試前處理流程如下圖3所示：在手套箱或者干燥房?jī)?nèi)，拆除外封裝（鋼殼），然后延長(zhǎng)極耳，最后用鋁塑膜重新封裝。

圖3.圓柱電芯前處理流程

測(cè)試過程中，直接把電芯放置于測(cè)試腔中（兩塊陶瓷板間），開啟測(cè)試軟件（MISS2.1）,選擇恒間隙模式原位監(jiān)測(cè)膨脹力隨SOC變化情況，如下圖4所示。

圖4.不同型號(hào)圓柱卷芯膨脹力

這種方法監(jiān)測(cè)的主要就是圓柱形電芯在充放電過程中的變形過程。如圖5所示，圓柱形電池與軟包電池的柔性鋁塑膜殼不同，它采用剛性金屬殼，這會(huì)阻礙內(nèi)部膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力釋放。被測(cè)試電池中金屬外殼與內(nèi)部膠卷之間的非均勻接觸會(huì)導(dǎo)致微小的松散接觸，從而導(dǎo)致應(yīng)力分布不均勻。在循環(huán)的早期階段（即新鮮電池），體積膨脹機(jī)制如圖5a所示。電池的表面最初是相對(duì)圓形的，電池充滿電時(shí)內(nèi)部的應(yīng)力分布會(huì)轉(zhuǎn)移到金屬殼體上，因此產(chǎn)生了不均勻的膨脹分布。由于電芯卷的結(jié)構(gòu)，徑向突出的膨脹會(huì)導(dǎo)致金屬殼體上出現(xiàn)收縮凹陷。隨著循環(huán)的進(jìn)行，不可逆膨脹的增加使得這種峰-谷結(jié)構(gòu)被永久固定累積，使得殼體與內(nèi)部更加緊密接觸，如圖5b所示。

圖5.新鮮的(a)和老化的(b)圓柱形電池的體積變化的機(jī)制示意圖

3.小結(jié)

本文采用原位膨脹分析系統(tǒng)（SWE2100）恒間隙模式模似外殼對(duì)圓柱卷芯束縛，從而實(shí)現(xiàn)原位表征圓柱卷芯膨脹力，助力圓柱電芯的優(yōu)化和開發(fā)。同時(shí)也可探討利用圓柱結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)為硅負(fù)極等高膨脹材料提供一種膨脹優(yōu)化策略。

4.參考文獻(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