鋰離子電芯在充放電過程中的膨脹行為有兩種表現形式：厚度和應力，準確測量膨脹厚度和膨脹力，有助於最佳化電芯設計和提升電池在使用過程中的安全效能1-3。恆間隙模式的傳統測試方法是採用一個鋼板夾具，將電芯固定在壓板中間，用螺栓固定上下壓板的位置，在上壓板處安裝一個力感測器來監控壓力變化，但此方法很難保證測試時上下壓板間隙恆定，有時間隙會產生幾十甚至幾百微米的波動，如圖1所示，紅色曲線表示在電芯充放電過程中，傳統夾具的間隙變化產生了65um左右的波動；恆壓力模式的傳統測試方法是在電芯表面放置恆定重物，但很難自由調節不同的壓力4-7。基於以上問題，我們採用一種自動壓力和位移控制系統來準確控制測試壓力和間隙，實現真正的恆壓力與恆間隙測試模式，如圖1中的綠色曲線代表恆間隙模式下SWE測試系統的間隙幾乎無變化。原位膨脹測試系統SWE結構示意圖如圖2所示。

圖1. 傳統測試方法與SWE測試系統恆間隙模式厚度控制對比

圖2. 原位膨脹測試系統SWE結構示意圖

實驗裝置與測試方法

1。   實驗裝置：原位膨脹分析儀，型號SWE2110（IEST元能科技），裝置外觀如圖3所示。

圖3. SWE2110裝置外觀圖

2。   測試資訊

2。1 電芯資訊如表1所示。

表1. 測試電芯資訊

2。2 充放電流程：25℃ Rest 5min； 0。5C CC to 4。35V， CV to0。025C； rest 5min； 0。5C DC to 3。0V。

2。3 電芯恆壓力模式測試：在SWE2110軟體上選擇“恆壓力”模式，設定施加壓力為10kg，開始測試，軟體自動讀取電芯厚度、厚度變化量、壓力、測試溫度、電流、電壓、容量等資料。

2。4 電芯恆間隙模式測試：在SWE2110軟體上選擇“恆間隙”模式，設定初始狀態對應的壓力為10kg，開始測試，軟體自動讀取電芯厚度、厚度變化量、壓力、測試溫度、電流、電壓、容量等資料。

原位分析軟包電芯膨脹行為

1。   充放電過程電芯膨脹厚度和膨脹力曲線

由圖4電芯充放電曲線以及厚度和膨脹力曲線可知，充電時，電芯膨脹力和膨脹厚度均增加，滿充時電芯膨脹力達到約160kg，電芯厚度膨脹約2%，放電時，電芯膨脹力和膨脹厚度均減小。充電和放電過程的厚度和力的曲線變化並未完全對稱，說明存在不可逆厚度和應力殘留。

圖4（a）充放電過程中的電壓和電流變化；（b）充放電過程中的膨脹厚度和力變化

2。   充放電過程電芯膨脹厚度和膨脹力與微分容量曲線分析

圖5為電芯膨脹厚度和膨脹力與微分容量曲線，微分容量曲線的每個峰對應脫嵌鋰的相變，由圖可知，在充電時，出現第一個陽極嵌鋰峰時，厚度和力曲線斜率也對應增大，後續每個脫嵌鋰峰都對應厚度和力曲線斜率的變化，說明正是由於發生了正負極結構相變才導致電芯膨脹厚度和膨脹力變化。

圖5（a）膨脹力與微分容量曲線；（b）膨脹厚度與微分容量曲線

總結

本文采用原位膨脹分析儀（SWE），對軟包電芯在恆壓力和恆間隙模式下，實時監控充放電過程中的膨脹厚度和膨脹力的變化，可發現膨脹厚度和膨脹力曲線與充放電過程的結構相變有關。鋰電研發人員可採用該原位分析方法對不同體系和生產工藝的電芯進行膨脹行為分析，從而設計更優效能的電芯。

參考資料

AmartyaMukhopadhyay，Brian W。Sheldon。 Deformation and stress in electrode materials for Li-ion batteries。Progress in materials science， 2014， 63，58-116。

JohnCannarella， Craig B。 Arnold。 State of health and charge measurements inlithium-ion batteries using mechanical stress。Journal of Power Sources， 2014， 269， 7-14。

RuiheLi， Minggao Ouyang et al。 Volume Deformation of Large-Format Lithium IonBatteries under Different Degradation Paths。Journal of TheElectrochemical Society，2019，166 （16） A4106-A4114

ShiyaoZheng， Yong Yang et al。 Correlation between long range and local structuralchanges in Ni-rich layered materials during charge and discharge process。J。 Power Sources。2019，412，336–343；

Y。Reynier， R。 Yazami， B。 Fultz。 The entropy and enthalpy of lithium intercalationinto graphite。Journal of Power Sources。2003， 119–121 850–855

JanN。 Reimers and J。 R。 Dahn。 Electrochemical and In Situ X-Ray DiffractionStudies of Lithium Intercalation in LixCoO2。Journal of Electrochemical Society， 1992， 139， 8

HaifengDai， Chenchen Yu， Xuezhe Wei， Zechang Sun。 State of charge estimation forlithium-ion pouch batteries based on stress measurement。Energy， 2017，129， 16。