鋰離子電池膨脹對于電池的壽命會產生明顯的影響。在充電過程中Li+在負極中獲得電子還原成鋰嵌入石墨負極的層狀框架結構時，會形成鋰碳合金，從而使石墨電極厚度增加；在放電過程中，鋰失去電子形成鋰離子，并從空穴中逸出石墨層，此時，底片的厚度電極片相應減少。
在首次充放電時，負極表面會形成一層固體電解質界面（SEI）膜，在后續(xù)的充放電循環(huán)過程中，SEI膜因遭到破壞后會再形成新的SEI膜，這將導致石墨電極不斷地膨脹。
由于極化現(xiàn)象，鋰離子不能被完全激發(fā)嵌入石墨層，因此鋰離子在負極表面會還原形成鋰枝晶。
放電過程時，在大電流作用下，靠近負極表面的鋰優(yōu)先進行氧化脫附，導致枝晶鋰的斷裂，形成“死鋰”，因此，鋰離子電池的膨脹程度會隨著充放電過程的進行逐漸增大。電池膨脹的另一個重要原因是電池內部的氣體釋放。無論電池處于常溫或高溫環(huán)境，在充放電過程中都會發(fā)生膨脹。膨脹的原因可能是鋰離子電池在充放電過程中電解液分解產生氣體。
在本工作中，來自寧德時代（CATL）的研究人員和中南大學焦飛鵬教授團隊共同合作，一方面驗證了不同極片數(shù)對電池膨脹力的影響，然后組裝成電池模塊來研究電池膨脹的差異性及其相應模塊的作用力和膨脹力對電池和模塊壽命的影響；另一方面，研究了溶液的膨脹度對電池模塊設計的影響。可以通過實驗去計算模塊的抗拉強度，模擬模塊的膨脹力。
最后通過電池模塊的充放電循環(huán)中產生的膨脹力，可以得到了模塊內部的應力分布，從而確定電池模塊結構是否存在漏洞和整體強度是否能夠滿足模塊膨脹帶來的壓力。研究結果對電池系統(tǒng)的設計具有一定的指導意義。
試驗方法
圖1. 實驗電池及模塊示意圖：(a) S40電池，(b) S60電池，(c) S40_1P6S模塊，(d) S60_1P4S模塊。
為了研究由不同數(shù)量的電極片組裝而成的電池和模塊的循環(huán)膨脹行為的差異，使用三元正極材料Li-Ni0.5Co0.2Mn0.3O2（NCM523）和負極石墨制備了電極片，并分別用40個電極片和60個電極片組裝方形鋁殼電池，分別命名為S40和S60。兩種電池之間的唯一區(qū)別是電極片的數(shù)量，并且電極和方形鋁殼之間的裝配間隙是一致的。方殼的高度和寬度相同，電池的結構如圖1a，b所示。S40電池和S60電池組裝成相同大小的模塊。
為了在模塊級別上保持相同數(shù)量的電極片，S40電池采用六個電池串聯(lián)組裝模塊（縮寫為S40_1P6S），S60電池采用四個電池串聯(lián)組裝模塊（縮寫為S60_1P4S）。模塊的簡化示意圖如圖1c，d所示。循環(huán)期間電極的膨脹和氣體的產生增加了電池的內部壓力，導致電池或模塊的結構變形，這稱為膨脹力。
在我們的工作中，在電池和端板之間組裝了一個壓力檢測裝置，該裝置由一個外部固定裝置和一個壓力傳感器組成。外部固定裝置由相同的金屬材料制成，并具有與端板相同的尺寸，以確保檢測裝置不會影響電池的作用力。在循環(huán)測試期間，電池的膨脹會壓縮壓力傳感器。可以通過壓縮量和膨脹力之間的轉換來量化模塊和電池的膨脹力。
為了研究不同電極片數(shù)的電池引起的循環(huán)膨脹力的差異，S40-1P6S模塊和S60-1P4S模塊的長度保持在355mm。每個組件的厚度如表1所示。要獲得電池和模塊的膨脹力數(shù)據(jù)，必須進行循環(huán)測試并記錄數(shù)據(jù)。電池循環(huán)的夾緊裝置可以模擬模塊中電池的狀況；也就是說，為電池的每個前表面預留了一定的間隙：S40電池之間的間隙為2.4mm，S60電池之間的間隙為2 mm。
在25°C的溫度下以1C/1C的充放電電流對這兩個電池進行了測試。將模塊的循環(huán)直接置于25°C的恒定溫度下進行1C/1C充放電循環(huán)測試。在整個過程中，使用壓力傳感器檢測電池和模塊的膨脹力數(shù)據(jù)。當在設計模塊之前獲得膨脹力數(shù)據(jù)時，可以通過模擬模塊的膨脹力來計算模塊壽命終止時的應力分布，從而提前確定模塊各組成部分的強度。
符合設計壽命要求。該模擬軟件是ABAQUS。模塊的三維（3D）模型應形成網格，并通過ABAQUS建立模塊與包裝之間的連接；然后，將膨脹力參數(shù)和材料特性輸入到軟件中。最后，ABAQUS消除了模塊中零件的應力。
結果與分析 電池膨脹力分析
圖2. 電池容量衰減和膨脹力
圖3. 電池充電和放電曲線，（a）S40，（b）S60。
S40電池和S60電池在25°C下進行循環(huán)實驗，并記錄了循環(huán)過程中的溶脹力以及充電/放電過程。得到的相應曲線如圖2和3所示。從圖可以看出，S40電池和S60電池的容量衰減趨勢在大約1000次循環(huán)之前基本相同，并且膨脹力的增長也顯示出一致。
在此期間的趨勢。在相同溫度下，不同數(shù)量的相同設計的電極片組裝而成的電池的循環(huán)容量衰減趨勢和膨脹力增長幾乎相同，并且不受電極片數(shù)量的影響。此時，電池中電極的溶脹可能仍在電極片和鋁殼之間的保留間隙內，并且沒有明顯的硬溶脹。隨著周期的增加，經過約1000次循環(huán)后，S60電池容量的褪色趨勢比S40電池快，并且膨脹力的增長趨勢也加快了。
在電池循環(huán)的最后階段，由于S60電池具有更多的電極板，因此電極板的硬溶脹和產氣量比S40電池更多。兩塊電池中的電極片和鋁殼之間的間隙相同，因此，S60電池的膨脹首先超過了保留的間隙，并且膨脹力在最后一個階段上升得更快。
同時，因為在膨脹力的作用下，鋰離子的傳輸受到限制，并且電池的內部阻抗也增加，從而導致電池更快的容量衰減.可以看出，當電極和鋁殼之間存在間隙時同樣，具有更多電極片的電池的膨脹力在循環(huán)達到一定階段后更快地增加，并且膨脹力的加速也導致容量衰減。?
模塊的膨脹力分析
模塊的設計不僅應承受由外部振動和沖擊引起的損壞，還應承受由電池產生的膨脹力所引起的應力。為了研究帶有不同數(shù)量電極片的不同電池模塊的膨脹性能，將S40電池和S60電池組裝成相同長度的模塊。由于S60電池的厚度和容量是S40電池的厚度和容量的1.5倍，為確保兩種類型的模塊的長度和水平相同，將S40電池組裝為1P6S模塊，而S60電池則被組裝為1P6S模塊。組裝成1P4S模塊。就模塊的內部結構設計而言，每個S40和S60電池的前表面之間的間隙分別為2.4和2 mm。S40_1P6S模塊的電池之間的總間隙為12毫米，而S60_1P4S模塊的電池之間的總間隙為6毫米。
圖4. 模塊的容量衰減和膨脹力關系。
通過循環(huán)實驗對這兩個模塊進行了測試，并同步監(jiān)測了來自模塊端板的容量衰減和膨脹力變化。從圖4可以看出，兩個模塊的容量保持率隨溶脹力的增加而降低，這再次證明了溶脹力導致容量衰減。在早期，S60_1P4S模塊的膨脹力幾乎與S40_1P6S模塊的膨脹力相同。
但是，經過約400個循環(huán)后，上升速度明顯快于S40_1P6S模塊的上升速度，并且隨著膨脹力的增加，S60_1P4S模塊的容量衰減速度也加快了。第一個原因可能是S60_1P4S模塊中的總保留間隙小于S40_1P6S模塊中的總保留間隙，因此電池的總溶脹空間較小，并且端板上的溶脹力較大，因此溶脹力也較大更大。
另一個原因是，根據(jù)之前的電池膨脹力分析，在S40和S60中電極與鋁殼之間的間隙是相同的，并且電極片的數(shù)量越多，最后一個時期的膨脹力就越大。因此，S60_1P4S模塊的膨脹力在400個循環(huán)之后會更快地增加。因此，由于S60_1P4S模塊具有更大的膨脹力，且電池中的電極片更多，因此需要提高每個結構組件的強度，以確保模塊在整個設計壽命中都是安全耐用的。
另一方面，為了提高循環(huán)壽命，需要在模塊中的電池之間設計更大的間隙，這可以減小膨脹力并改善循環(huán)壽命。但是，通常沒有足夠的空間在模塊中保留較大的間隙，因此應同時考慮膨脹力和間隙。
模塊設計的仿真分析
仿真對于縮短產品開發(fā)周期，提高開發(fā)效率和質量具有重要意義，這在電池產品設計階段起著非常重要的作用。對不同數(shù)量的電極片和模塊的膨脹力電池特性的研究表明，膨脹力不僅影響電池的容量，而且影響模塊的結構安全性。先前的研究表明，電池的膨脹力將隨著容量的減小而增加，這可以指導模塊的設計。
因此，電池的膨脹力可能在將電池組裝成模塊后，例如端板和側板，對模塊的其他結構部件造成一定的損壞。為確保模塊的結構在整個生命周期中不會因電池膨脹而損壞，研究模塊中電池膨脹所產生的膨脹力尤為重要。本文基于先前的膨脹力數(shù)據(jù)，通過仿真來評估模塊設計的結構強度是否滿足要求。主要評估模塊的端板，側板和端側板焊縫的強度是否可以承受模塊的膨脹力。
在S40_1P6S和S60_1P4S模塊上進行了膨脹力模擬，并評估了由于模塊膨脹而導致的端板，側板和端側板焊接處的應力。比較了模塊設計的強度失效閾值，以評估設計的強度值是否可以承受生命周期內模塊中所有電池的膨脹。
圖5. 模塊膨脹力仿真：(a?c) S40_1P6S模塊仿真，(d?f) S60_1P4S模塊仿真。
圖5a-f中顯示的模擬結果是S40_1P6S和S60_1P4S模塊的端板，側板和端側板焊縫上的應力值。同時，如表2所示，仿真還可以計算膨脹后整個生命周期（EOL，1000個循環(huán)）中模塊的長度變化。根據(jù)仿真結果，S60_1P4S模塊的端板，側板和焊縫上的溶脹力大于S40_1P6S模塊的溶脹力。端板的模擬應力值為370.84 MPa，S40_1P6S模塊的端板失效閾值僅為215 MPa，不能滿足S60_1P4S模塊的端板強度設計要求。
因此，S60_1P4S模塊的端板設計具有380 MPa的故障閾值。通過對兩個模塊的溶脹力的仿真分析，還可以證明，當電極與鋁殼之間的間隙相同時，電池中的電極片越多，模塊中的溶脹力就越大。因此，如果采用具有多個電極片的電池，則將需要更高的模塊結構強度。
在包裝結構的設計中，有必要為模塊考慮更大的膨脹空間。從以上分析可以看出，S40電池，S60電池和S40_1P6S模塊，S60_1P4S模塊的膨脹力的分析結果可以有效地指導模塊設計，包括端板，側板，焊接強度，模塊布置等，在包裝設計中起著重要作用。
結論
本次工作研究了在充放電過程中電池膨脹對電池模塊和電池系統(tǒng)的影響。研究表明，電極片數(shù)越多，膨脹力越大，膨脹速度越快，在1000次循環(huán)后容量發(fā)生衰減。這表明電極片的數(shù)量越多的電池，在相同大小的模塊電池中產生的膨脹力越大。因此，每個結構組件都需要設計更堅固，確保模塊安全可靠經久耐用。具有更多極片的模塊電池因其膨脹力較強，會導致電池的容量更快衰減，故應多保留保護模塊來免受膨脹力過高以提高產品壽命。
審核編輯：劉清