LFP体系动力电芯膨胀厚度与膨胀力分析
LFP体系电芯因为高的安全性和稳定性，常被用于作为大功率或高安全性需求的动力电车或储能装置。随着单体电芯容量的升高，其在充放电过程中的膨胀也会增大，通常分析电芯的膨胀行为，会使用电芯膨胀厚度或膨胀力参数，但这两种的测试模式是不同的，我们之前也已经分析过钴酸锂体系电芯这两方面的差异1，可参考文章《软包电芯原位膨胀分析-恒压力Vs恒间隙》。本文对大容量的LFP电芯进行膨胀厚度和膨胀力对比分析，探究其在充放电过程的膨胀行为。
图1.原位XRD表征不同材料的晶格变化1
实验设备与测试方法
1.实验设备
原位膨胀分析仪，型号SWE2110（IEST元能科技），设备外观如图2所示。
图2. SWE2110设备外观图
2.测试流程
2.1 电芯信息如表1所示。
表1. 测试电芯信息
2.2 充放电流程：25℃ Rest 5min; 1C CC to 3.65V, CV to 0.025C; rest 5min; 1C DC to 2.5V。
2.3 电芯厚度膨胀测试：将待测电放入设备对应通道，开启MISS软件，设置各通道对应电芯编号和采样频率参数，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。
原位分析LFP体系电芯膨胀行为
1.设备稳定性验证
本文采用原位膨胀设备的两个不同的测试模式，恒定压力条件下测试电芯膨胀厚度变化，以及恒定间隙条件下测试电芯膨胀力变化。有关设备控制稳定性的验证如图3所示，当分别设定恒定压力为35kg和400kg时，整个测试过程中压力的波动为±1kg，当设定恒定间隙时，整个测试过程中间隙的变化量在±1µm以内，这说明设备本身的控制精度和稳定是很好的。
图3 恒定压力和恒定间隙时控制力和间隙的稳定性曲线
2.两种不同压力条件下膨胀厚度曲线
图4为电芯的充放电曲线、微分容量曲线以及厚度膨胀曲线。对LFP/石墨体系电芯来说，在充电过程中，厚度曲线还会出现稍微下降的现象，且厚度下降出现在石墨第二个嵌锂电位处，这可能与锂离子从橄榄石结构的LFP材料中脱出时，正极一侧厚度减小，进而抵消了负极嵌锂时的厚度增加，因此电芯整体表现出厚度减小的现象，可借助原位XRD做进一步分析。当给电芯施加不同的恒定压力时，电芯的最大膨胀厚度随压力的增大而增大。
图4 电芯的充放电曲线、微分容量曲线以及厚度膨胀曲线
3.充放电过程中膨胀力与膨胀厚度曲线对比
图5为电芯在两种不同测试模式条件下膨胀力与膨胀厚度曲线对比。充放电过程中，力和厚度的膨胀趋势是相同的，且在25%~70%SOC区间范围内出现充电时下降，放电时增加的现象，该区间范围是主要的脱嵌锂相变区间，也是电芯内阻相对较小的区间，如何进一步分析正负极的膨胀收缩机理，还需结合其他表征方法联合研究。
图5 两种不同测试模式条件下膨胀力与膨胀厚度曲线对比
总结
本文采用原位膨胀分析仪（SWE）对大容量的LFP电芯进行膨胀厚度和膨胀力对比分析，发现在充放电过程中，力和厚度的膨胀趋势是相同的，且在25%~70%SOC区间范围内出现充电时下降，放电时增加的现象，如何进一步分析正负极的膨胀收缩机理，还需结合其他表征方法联合研究。
参考资料
1. Xiujuan Wei, Xuanpeng Wang, Qinyou An, Chunhua Han, and Liqiang Mai. Operando X-ray Diffraction Characterization for Understanding the Intrinsic Electrochemical Mechanism in Rechargeable Battery Materials. Small Methods 2017, 1700083.
