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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特性進行清晰準確的認識和系統(tǒng)的研究，明確鋰離子電池在不同碰撞或壓縮條件下產(chǎn)生的力學響應是十分必要的。

鋰離子電池的力學性能試驗是研究其各項力學性能的重要手段，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雜體。各組分具有不同的機械力學性能，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聯(lián)性評估，為鋰離子電池不同狀態(tài)下力學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.實驗設備與測試方法

1.1 實驗設備：

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對應通道，開啟MISS軟件，設置壓力調(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。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，從而導致不同的力學性能。

同時,對電池進行大倍率充放電循環(huán)，以初始容量為基準，當電池容量降至初始容量的85%時，設定電池健康狀態(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，還與電池的SOH狀態(tài)有關。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)部引起相當大的應力，導致機械故障，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，導致SEI膜生長，負極析鋰，電池產(chǎn)氣等有關。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。總之電池壓縮模量與電池SOH是息息相關的。

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。相應的關聯(lián)性可為相關技術人員設計更可靠產(chǎn)品，為仿真技術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特性研究[D]. 湖南大學

【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.