三元电芯原位膨胀分析-不同恒定压力条件

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，电芯厚度会出现一定程度的膨胀和收缩，由于正负极材料的结构变化是不完全可逆的，随着循环的增加，电芯的不可逆厚度也在不断增加^1-3。若在充放电过程中对电芯施加一定的压力，则能在一定程度上减小电芯的膨胀，提升电芯循环倍率性能。本文采用原位膨胀分析仪（SWE），对NCM523/石墨芯（3446106，理论容量2400mAh）进行不同恒定压力条件下（50N/500N/1000N）厚度测试，对比分析电芯膨胀行为。

1. 测试设备：原位膨胀分析仪，型号SWE2100（IEST元能科技），可施加压力范围50~10000N，可调控温度-20℃~80℃。

2. 测试参数：

2.1 充放电流程：25℃ rest 5min; 0.5C CC to 4.35V, CV to 0.025C; rest 5min; 0.5C DC to2.8V。

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种恒定压力条件下进行0.5C充放电测试，膨胀曲线如图1所示。三种加压压力对应的压强分别约为0.01MPa、0.1MPa、0.2MPa。考虑到不同电池之间的微小差异，三种压力下电池的最大膨胀厚度均约为1.7%，且整体趋势均为恒流充电时厚度增加，恒压充电时厚度基本不变，恒流放电时厚度减小。

图1.电芯在3种恒定压力下充放电曲线和膨胀曲线

2.  膨胀曲线与微分容量曲线分析

       对比电芯在3种恒定压力条件下的膨胀曲线和微分容量曲线，如图2。充电过程中，膨胀曲线的两个拐点分别对应微分容量曲线的两个峰，说明电芯膨胀与脱嵌锂相变有关。3种压力对应的膨胀曲线在充电时差异较小，放电时差异较大，这可能与电芯在高电压区间发生不同程度的不可逆膨胀有关。

   图2.电芯在3种恒定压力条件下的膨胀曲线和微分容量曲线

3.   充放电过程不可逆性膨胀分析

       电芯在3种恒定压力条件下的膨胀与SOC曲线，如图3。充电和放电对应的膨胀曲线的间距代表了不可逆膨胀，随着压力的增加，电芯在满放时的不可逆膨胀分别为0.22%、0.07%、0.01%，这说明适当增加压力可减小电芯的不可逆膨胀比例。

图3. 3种恒定压力下不同SOC的膨胀曲线

       本文采用原位膨胀分析仪（SWE）对NCM523电芯在不同恒定压力条件下充放电过程中的厚度膨胀进行分析。在1000N范围内，随着施加压力的增加，电芯的不可逆膨胀逐渐减小，后续可进一步探究施加压力对电芯不可逆膨胀的影响。

参考资料

1.YongkunLi, Chuang Wei, Yumao Sheng, Feipeng Jiao, and Kai Wu. Swelling Force inLithium-Ion Power Batteries. Ind. Eng.Chem. Res, 2020, 59, 27, 12313–12318.

2.XimingCheng and Michael Pecht. In Situ Stress Measurement Techniques on Li-ionBattery Electrodes: A Review. Energies,2017, 10, 591.

3.AmartyaMukhopadhyaya, Anton Tokranova, Xingcheng Xiaoc, Brian W. Sheldona. Stressdevelopment due to surface processes in graphite electrodes for Li-ionbatteries: A first report. ElectrochimicaActa, 2012,66, 28–37.