三元电芯原位膨胀应力分析-不同预紧力

锂离子电芯在充放电过程中，随着锂离子的不断嵌入和脱出，电芯内部会出现应力逐渐增加的现象，若应力累积到一定程度，会导致颗粒破碎或析锂，降低电芯可使用容量和寿命^1-2。电池在封装至电动汽车或3C电子产品中时，由于外壳或其他部件的空间限制，使其受到不同程度的挤压，从而影响电池在后续使用过程的性能变化。本文采用原位膨胀分析仪（SWE），对NCM523/石墨电芯（3446106，理论容量2400mAh）进行不同初始预紧力条件下（100N/1000N/5000N）的充放电应力测试，对比分析电芯膨胀行为。

图1.颗粒破碎的几种形式¹

1. 测试设备：原位膨胀分析仪，型号SWE2110（IEST元能科技），可施加压力范围50~10000N，设备外观如图2所示。

图2. SWE2110设备外观图

2.   测试参数：

2.1 充放电流程：25℃ rest 5min; 0.5C CC to 4.35V, CV to 0.05C;rest 5min; 0.5C DC to 2.8V。

2.2电芯厚度膨胀测试：将待测电芯放入设备对应通道，开启MISS软件，设置各通道对应电芯编号，采样频率，测试压力等参数，软件自动读取电芯厚度、厚度变化量、测试温度、电流、电压、容量等数据。

1.   充放电过程电芯膨胀曲线

       电芯在3种初始预紧力条件下进行0.5C充放电测试，膨胀曲线及微分容量曲线如图3所示。随着初始预紧力的增加，电芯在充放电过程中的应力变化量也增加，这主要是由于预紧力越大，电芯初始厚度越小，电池在脱嵌锂过程中的结构膨胀会被限制的程度越大。从微分容量曲线可以看出，随着预紧力的增加，充电时脱嵌锂的峰位右移，极化增大，说明膨胀应力的增加会抑制锂离子的脱嵌反应，影响电池动力学性能。

图3.电芯在3种预紧力条件下(a)充放电曲线和膨胀曲线；(b)微分容量曲线

2.   充放电过程不可逆膨胀应力分析

      电芯在3种预紧力条件下的应力变化与SOC曲线，如图4。相同SOC条件下，充电过程的应力变化量大于放电过程，两者之间的差值为可恢复的应力值，这可能是由于在恒压阶段，有部分沉积在负极表面的锂进一步溶解进入负极结构中，从而减小了一部分电极表面应力。随着预紧力的增加，也可看到应力变化量是增加的，这是造成电池极化增加的主要原因。

图4. 3种预紧力条件下不同SOC的应力变化曲线

      本文采用原位膨胀分析仪（SWE）对NCM523电芯在不同预紧力条件下充放电过程的膨胀应力进行分析。在5000N范围内，随着预紧力的增加，电芯的膨胀应力逐渐增大，从而导致了电芯极化增大，动力学性能变差，因此，在设计电芯封装或使用过程中，一定要注意初始预紧力的影响。

参考资料

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).