鋰離子電芯在充放電過程中，隨著鋰離子的不斷嵌入和脫出，電芯內部會出現應力逐漸增加的現象，若應力累積到一定程度，會導致顆粒破碎或析鋰，降低電芯可使用容量和壽命1-2。電池在封裝至電動汽車或3C電子產品中時，由於外殼或其他部件的空間限制，使其受到不同程度的擠壓，從而影響電池在後續使用過程的效能變化。本文采用原位膨脹分析儀（SWE），對NCM523/石墨電芯（3446106，理論容量2400mAh）進行不同初始預緊力條件下（100N/1000N/5000N）的充放電應力測試，對比分析電芯膨脹行為。

圖1。顆粒破碎的幾種形式1

實驗裝置與測試方法

1。 測試裝置：原位膨脹分析儀，型號SWE2110（IEST元能科技），可施加壓力範圍50~10000N，裝置外觀如圖2所示。

圖2。 SWE2110裝置外觀圖

2。   測試引數：

2。1 充放電流程：25℃ rest 5min； 0。5C CC to 4。35V， CV to 0。05C；rest 5min； 0。5C DC to 2。8V。

2。2電芯厚度膨脹測試：將待測電芯放入裝置對應通道，開啟MISS軟體，設定各通道對應電芯編號，取樣頻率，測試壓力等引數，軟體自動讀取電芯厚度、厚度變化量、測試溫度、電流、電壓、容量等資料。

資料分析

1。   充放電過程電芯膨脹曲線

電芯在3種初始預緊力條件下進行0。5C充放電測試，膨脹曲線及微分容量曲線如圖3所示。隨著初始預緊力的增加，電芯在充放電過程中的應力變化量也增加，這主要是由於預緊力越大，電芯初始厚度越小，電池在脫嵌鋰過程中的結構膨脹會被限制的程度越大。從微分容量曲線可以看出，隨著預緊力的增加，充電時脫嵌鋰的峰位右移，極化增大，說明膨脹應力的增加會抑制鋰離子的脫嵌反應，影響電池動力學效能。

圖3.

電芯在3種預緊力條件下（a）充放電曲線和膨脹曲線；（b）微分容量曲線

2。   充放電過程不可逆膨脹應力分析

電芯在3種預緊力條件下的應力變化與SOC曲線，如圖4。相同SOC條件下，充電過程的應力變化量大於放電過程，兩者之間的差值為可恢復的應力值，這可能是由於在恆壓階段，有部分沉積在負極表面的鋰進一步溶解進入負極結構中，從而減小了一部分電極表面應力。隨著預緊力的增加，也可看到應力變化量是增加的，這是造成電池極化增加的主要原因。

圖4.

3種預緊力條件下不同SOC的應力變化曲線

總結

本文采用原位膨脹分析儀（SWE）對NCM523電芯在不同預緊力條件下充放電過程的膨脹應力進行分析。在5000N範圍內，隨著預緊力的增加，電芯的膨脹應力逐漸增大，從而導致了電芯極化增大，動力學效能變差，因此，在設計電芯封裝或使用過程中，一定要注意初始預緊力的影響。

參考資料

1。ThomasM。 M。 Heenan， Paul R。 Shearing， Identifying the Origins of Microstructural Defects Such as Cracking within Ni-Rich NMC811 Cathode Particles for Lithium-Ion Batteries。 Adv。 Energy Mater。 2020， 2002655。

2。DaiH， Yu C， Wei X， Sun Z， State of charge estimation for lithium-ion pouch batteriesbased on stress measurement， Energy （2017）。