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电芯膨胀性能测试时的参数选择依据

作者:元能科技(厦门)有限公司 浏览: 发表时间:2023-07-12 13:50:08
锂离子电池在充放电过程中,由于正负极的结构膨胀和电解液分解产气会造成电芯的膨胀,当电池的束缚边界不同时,电芯膨胀的表现形式也不同。电芯表面施加的应力一定时,电芯表现出厚度的变化,而当电芯的初始厚度控制不变时,电芯则表现出应力的变化。通常在测试电芯的膨胀行为时,需要控制不同的边界条件,得到电芯膨胀厚度或者膨胀力的变化,但不同的控制参数会显著影响测得的膨胀数据,元能科技推出的原位膨胀测试系统SWE系列,如图1,可原位表征电芯的膨胀行为,如何进行不同测量模式下的参数设置,对得到准确可靠的膨胀数据是非常重要的。

图1.元能科技原位膨胀测试系统SWE系列

SWE系列表征电芯的膨胀行为时有两种测量模式:恒压力和恒间隙。下面分别对这两种模式进行参数设置的说明。


1.恒压力模式

在恒压力模式下,对电芯表面施加的压力是恒定的,通过高精度的压力调控系统实时保持电芯充放电过程中的压力,同时采集厚度变化曲线,如图2所示。该模式通常应用于对比不同材料的膨胀行为差异,例如不同硅碳材料的膨胀厚度对比。压力参数的设置是与电芯的长宽面积有关的,一般情况下,随着施加压力的增大,电芯受到的纵向压力也越来越大,测到的充放电过程的膨胀厚度越来越小,如图3所示,但压力过大时,会导致电芯充放电的极化过大,影响电芯性能,因此需要选择合理的施加压力。通常,行业内人员会选择0.2MPa的压强来表征电芯的原位膨胀厚度。该模式测试前对电芯的SOC状态无要求,分析时重点以满充满放的厚度差值来比较。

图2.恒压力与厚度变化示意图

图3.不同压强条件下的原位膨胀厚度曲线


2.恒间隙模式

在恒间隙模式下,会对电芯先施加一个初始预紧力,通过高精度的位移调控系统保持该预紧力条件对应的电芯间隙不变,实时采集电芯充放电过程中的压力变化曲线,如图4所示。该模式通常应用在电芯/模组/Pack设计或仿真部门,通过对比不同初始预紧力条件,控制电芯的间隙不同,进而分析束缚边界材料的刚度,例如对比不同模组壳体或者不同缓冲棉的差异。预紧力参数的设置影响了电芯的初始间隙,预紧力越大,电芯对应的间隙越小,则后续充放电过程中测到的膨胀力越大,但当预紧力达到一定程度时,电芯的膨胀力变化会相对平稳,若继续加大预紧力,对应的电芯间隙更小时,会增大电芯充放电的极化,影响电芯性能,因此需要选择合理的预紧力以保证合适的电芯间隙,通常,行业内人员会选择0.2MPa的压强作为预紧力来表征电芯的原位膨胀力。另外,电芯的初始SOC状态不同,会影响电芯的间隙控制量,例如相同预紧力条件下,0%SOC的电芯间隙要小于100%SOC的电芯间隙,且这两种状态下测到的满充满放的膨胀力差值也会不同,因此我们在表征膨胀力时尽量保持电芯的初始SOC状态一致,通常会选择满放态的电芯进行测试。

图4.恒间隙与膨胀力变化示意图

图5.不同预紧力对应的恒间隙时的膨胀力变化示意图


总结

在表征电芯的膨胀性能时,恒压力和恒间隙模式有不同的应用场景和测试参数。通常,材料评估时,优先会选择恒压力模式表征电芯膨胀厚度,此时对电芯的初始SOC无特殊要求,而在电芯设计时,更偏向选择恒间隙模式表征电芯膨胀力,此时电芯初始SOC会较大影响后续测试结果,可选择满放态的电芯进行测试。另外对于初始预紧力的设置,行业内更多会使用0.2MPa的压强施加在电芯表面作为恒压力或者恒间隙的初始条件。


参考文献

1.李林阳,何帆,吕希祥.锂电池模组膨胀位移分析方法[J].电源技术, 2023, 47(5): 632-634.

2.梁浩斌, 杜建华, 郝鑫, 等. 锂电池膨胀形成机制研究现状[J].储能科学与技术, 2021, 10(2): 647-657.

3.MARTIN W, JORG K, DIRK U S. Investigation of the influence of different bracing of automotive pouch cells on cyclic lifetime and impedance spectra[J]. Journal of Energy Storage, 2019, 21:149-155.


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