圓柱電芯的膨脹力主要源于電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)和充放電過(guò)程中的物理變化。在充電過(guò)程中，正極上的活性物質(zhì)釋放電子并嵌入負(fù)極，導(dǎo)致正極體積減小，負(fù)極體積增大。

同時(shí)，電解液在充電過(guò)程中發(fā)生相變及產(chǎn)氣副反應(yīng)，也會(huì)造成一定的體積變化。這些因素共同作用，使得圓柱電芯在充放電過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生膨脹力。

隨著充放電次數(shù)的增加，這種膨脹力逐漸累積，導(dǎo)致電芯的尺寸發(fā)生變化。這種尺寸變化不僅會(huì)影響電池的外觀和使用壽命，還可能對(duì)電池的安全性產(chǎn)生影響。

因此，準(zhǔn)確表征圓柱電芯的膨脹力對(duì)于優(yōu)化電池設(shè)計(jì)、提高電池性能和安全性具有重要意義。

表征圓柱電芯膨脹行為的方法電池的膨脹行為分為尺寸上的膨脹量和力學(xué)上的膨脹力測(cè)量。目前，對(duì)于軟包電池、方殼電池膨脹行為的測(cè)量表征，已有較多研究和相應(yīng)的測(cè)試手段及設(shè)備，在此不再贅述。但對(duì)于圓柱型電池的膨脹行為研究相對(duì)較少，也沒(méi)有較好的商業(yè)化膨脹力評(píng)估手段。

目前在文獻(xiàn)資料中，常見(jiàn)的圓柱電芯膨脹行為的表征手段主要有以下幾種：

1、估算法

如圖1和圖2所示，有研究表明圓柱型電池的膨脹變化與電池的SOC和SOH狀態(tài)具有一定的相關(guān)性。但該方法建立在圓柱型電池的膨脹在整個(gè)圓周上是均勻的。

圖 1 單次充放電過(guò)程中，圓柱型電池的可逆膨脹變化

圖 2 電池老化過(guò)程中，圓柱型電池的SOH變化與不可逆膨脹之間的關(guān)系直接測(cè)量法通過(guò)在圓柱電芯外部施加壓力，通過(guò)貼附應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變，該方式計(jì)算復(fù)雜，無(wú)法直觀體現(xiàn)膨脹力。

2、影像分析法

影像分析法是一種無(wú)損檢測(cè)方法，如利用CT斷層掃描、中子成像、X射線、超聲波等影像技術(shù)觀察電芯內(nèi)部的形變情況，通過(guò)分析影像的變化來(lái)測(cè)算電芯尺寸變化。

這種方法適用于多種類(lèi)型的圓柱電芯，且對(duì)電芯無(wú)損傷。然而，影像分析法需要使用昂貴的專(zhuān)業(yè)設(shè)備，且測(cè)量精度易受到設(shè)備性能和操作人員經(jīng)驗(yàn)的影響。

3、薄膜壓力法

一般需解剖圓柱電池，在電芯內(nèi)部嵌入薄膜壓力傳感器或壓敏紙的方式，從而獲得圓柱電芯在不同方位上的膨脹力分布情況。

但薄膜壓力傳感器精度一般較低，成本高；而壓敏紙分析，具有滯后性。該測(cè)試均為破壞性測(cè)試。

表征圓柱電芯膨脹行為存在的問(wèn)題有研究表明，圓柱型電池電池實(shí)際的膨脹是明顯偏離預(yù)期的均勻膨脹，在周長(zhǎng)上會(huì)形成膨脹和收縮的區(qū)域，這取決于圓柱型電池的卷芯卷繞方向。

因此，使用體積變化來(lái)研究老化或預(yù)測(cè)SOC需要特別謹(jǐn)慎，因?yàn)榕蛎洉?huì)因測(cè)量位置而顯著不同，測(cè)量結(jié)果可能因測(cè)量方法而有偏差。

電弛膨脹測(cè)試解決方案電弛自主研發(fā)的電池膨脹測(cè)試系統(tǒng)，高度集成了溫控、充放電、伺服控制、高精度傳感器等模塊，并提供企業(yè)級(jí)系統(tǒng)組網(wǎng)功能。

該系統(tǒng)可對(duì)多種電池種類(lèi)和電池形態(tài)的電池進(jìn)行膨脹行為測(cè)試，包括堿金屬離子電池(Li/Na/K)、多價(jià)離子電池(Zn/Ca/Mg/Al)、其他二次金屬離子電池(金屬-空氣、金屬-硫)、固態(tài)電池，以及單層極片、模型扣式電池(全電池、半電池、對(duì)稱(chēng)電池、扣電三電極)、軟包電池、方殼電池、圓柱電池、電芯模組。

同時(shí)，可為不同形態(tài)電池提供定制化夾具，開(kāi)展手動(dòng)加壓、自動(dòng)加壓、恒壓力、脈沖恒壓、恒間距、壓縮模量等不同測(cè)試模式的研究。

本產(chǎn)品還可方便擴(kuò)展與電池產(chǎn)氣測(cè)試、內(nèi)壓測(cè)試、成分分析的定制集成。為鋰電池材料研發(fā)、工藝優(yōu)化、充放電策略的分析研究提供了良好的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)Jessica Hemmerling, 2021. Non-Uniform Circumferential Expansion of Cylindrical Li-Ion Cells—The Potato Effect. Batteries, 7, 61.