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电芯膨胀刚度与压缩刚度差异

作者:元能科技(厦门)有限公司 浏览: 发表时间:2024-01-20 19:10:13

锂离子电池具备工作电压高、能量密度大、工作范围宽、放电平稳、比功率大等优点,目前被广泛应用到动力汽车、3C数码产品、储能设备等领域。随着对锂离子电池终端产品的要求不断增大,锂离子电池的各项性能也需要不断提升,如锂离子电池的结构稳定性、安全性能及外观硬度等等。而提高电芯刚度不仅可以美化外观、还可以提高电芯安全性能,如硬物冲击、高空坠落、挤压等性能,同时也对模组的安全设计起至关重要的作用。

电芯刚度一般包含有压缩刚度和膨胀刚度。压缩刚度是指电芯不充放电静态时弹性形变能力,膨胀刚度是指电芯在充放电过程中抵抗弹性形变的能力。目前通常测试法是通挤压电芯,并记录电芯压缩位移和压力对应关系,从而获得不同挤压变形量下的电芯压缩刚度,并用压缩刚度近似等于电芯的膨胀刚度。这种近似求解电芯膨胀刚度差异到底有多大,本文使用原位膨胀分析系统(SWE2110)量化同一电芯压缩刚度和膨胀刚度差异。


1. 测试信息

1.1 实验设备:原位膨胀分析仪,型号SWE2110(IEST元能科技),如下图所示:



图1.原位膨胀分析系统示意图

1.2 电芯信息 

表1.电芯信息

1.3 充放电流程


2. 实验数据及结果分析

2.1 膨胀刚度

SWE2110设备选择恒压力测试模式,分别设置测试压力10kg(0.02MPa),30kg(0.06MPa),50kg(0.10MPa),100kg(0.21MPa),200kg(0.42MPa),开启充放电仪对电芯进行充放电,实时原位监测电芯在不同压力条件下的厚度随时间变化如图2所示:随着充电进行正极不断脱锂负极不断嵌锂,电芯厚度不断增加,放电过程锂离子不断从负极脱出回嵌正极,厚度不断减小,并且随着压力增加电芯厚度呈现减小趋势。

图2.电芯在不同压力下充放电厚度变化曲线

从图2中选取不同SOC/DOD状态下电芯的厚度,以初始压力10kg为基准,依照刚度计算公式K=ΔF/Δδ(其中F为应力,δ为电芯厚度)计算不同SOC/DOD状态电芯膨胀刚度,如表2所示:随着压力增加,电芯在各个SOC/DOD状态都呈现增加趋势,说明电芯膨胀刚度对施加压力大小依存度较高。电芯不同SOC/DOD状态膨胀刚度也存在差异,如下图3所示:电芯充电初期膨胀刚度较大,之后随着充电进行刚度减小并相对稳定;电芯放电过程中膨胀刚度呈现先增大后减小的过程,放电深度为30%~50%左右达到最大刚度。

表2.电芯各SOC膨胀刚度(左表充电过程,右表放电过程)


图3.不同SOC/DOD状态电芯膨胀刚度变化趋势

2.2 压缩刚度

分别调整电芯SOC为0%,30%,50%,80%,100%,并用SWE2100调整压力10kg(0.02MPa),30kg(0.06MPa),50kg(0.10MPa),100kg(0.21MPa),200kg(0.42MPa)并监控电芯厚度变化,测试电芯在各状态下的压缩刚度如下表3(左)所示电芯压缩刚度和膨胀刚度差异大,膨胀刚度明显小于压缩刚度。因此直接用压缩刚度反推膨胀刚度可能会存在较大的误差。

表3.电芯刚度对比(左表压缩刚度,右表膨胀刚度)




3. 小结


本文采用原位膨胀分析系统(SWE2100)恒压力模式表征电芯的膨胀刚度和压缩刚度,验证了电芯刚度不仅与电芯状态有关,而且与施加压力大小也存在关联,同时发现电芯膨胀刚度和压缩刚度存在明显差异。


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参考文献

[1] Hoeschele P , Heindl S F , Erker S ,et al.Influence of reversible swelling and preload force on the failure behavior of a lithium-ion pouch cell tested under realistic boundary conditions[J].Journal of Energy Storage, 2023.

[2]祝茂宇,何见超,于奥,等.电芯膨胀刚度测试方法:202310112653[P][2024-01-15].






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