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隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，電動(dòng)車在道路上的占有率也越來越高，給人們提供便利的同時(shí)，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(diǎn)關(guān)注的安全問題。鋰離子電池是電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能裝置，儲(chǔ)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(duì)電池造成破壞，引起短路失效，最終導(dǎo)致起火甚至爆炸，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大的威脅。因此，對(duì)鋰離子電池的力學(xué)特性進(jìn)行清晰準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)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(yàn)是研究其各項(xiàng)力學(xué)性能的重要手段，研究?jī)?nèi)容也通常圍繞多個(gè)尺度來實(shí)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(jí)路線。圖1為鋰離子電池多個(gè)尺度示意圖，各尺度之間相對(duì)獨(dú)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(jī)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(cè)電池壓力和厚度形變情況，對(duì)電池的壓縮性能進(jìn)行關(guān)聯(lián)性評(píng)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(shí)際測(cè)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(gè)研究尺度

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備與測(cè)試方法

1.1 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2.SWE2110設(shè)備外觀圖

1.2 測(cè)試信息及流程：

1.2.1 電池信息如表1所示。

表1. 測(cè)試電池電池信息 

1.2.2 充放電流程： 

1.2.3 實(shí)驗(yàn)流程：電池壓縮模量測(cè)試：將待測(cè)電池放入SWE2110對(duì)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(dòng)讀取電池厚度、厚度變化量、測(cè)試溫度、電流、電壓、容量等數(shù)據(jù)。 

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

原位膨脹分析儀（SWE2110）開啟壓縮實(shí)驗(yàn)（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?jí)毫?0kg, 加壓步進(jìn)100kg，每個(gè)壓力保壓10S，直至1000kg，然后再卸壓，卸壓步進(jìn)100kg，每個(gè)壓力保壓10S，直至10kg完成實(shí)驗(yàn)。

選取三個(gè)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(duì)三個(gè)電池進(jìn)行穩(wěn)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)。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(shí)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(huì)發(fā)生變化。比如對(duì)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(huì)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(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致不同的力學(xué)性能。

同時(shí),對(duì)電池進(jìn)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(shí)，設(shè)定電池健康狀態(tài)為85%SOH，同理容量為80%時(shí)電池健康狀態(tài)為80%SOH。對(duì)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(shí)驗(yàn)以加大充放電倍率老化)，SOC的影響因素有逐漸減弱的趨勢(shì)。電池在循環(huán)老化過程中，由于各種機(jī)械和化學(xué)過程，電池性能不斷下降，電池池降解機(jī)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(jī)械損傷也會(huì)加速化學(xué)降解，比如在這個(gè)插層過程中，體積變化會(huì)在顆粒內(nèi)部引起相當(dāng)大的應(yīng)力，導(dǎo)致機(jī)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(huì)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(jìn)一步地，在相同SOC狀態(tài)下，對(duì)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(shí)，正負(fù)極活性材料不斷進(jìn)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(zhǎng)，負(fù)極析鋰，電池產(chǎn)氣等有關(guān)。活性材料破碎、SEI膜生長(zhǎng)以及析鋰使電池不可逆形變?cè)龃?，又由于SEI膜及鋰枝晶壓縮模量遠(yuǎn)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(huì)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(shí)驗(yàn)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(jì)更可靠產(chǎn)品，為仿真技術(shù)人員提供更加真實(shí)數(shù)據(jù)，提升仿真效果。 

參考資料

【1】楊博達(dá). 電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)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.