離子電池循環過程中的膨脹力變化，對模組及系統設計具有很重要的影響。電池循環過程中容量的加速衰減，跟電池受到的擠壓力過大有一定的相關性，因此，研究循環過程中的膨脹力變化，對電池及系統的優化設計具有重要意義。

1 實驗

本實驗以不同型號的方型磷酸鐵鋰動力電池為樣本(Model1、Model2、Model3)，置于限位壓力工裝內，分別在常溫(25±5) ℃及高溫(45±5) ℃條件下，進行 1 C 恒流恒壓充電及 1C 放電的循環，充放電間隔為 30 min，并采用壓力傳感器記錄充放電循環過程中電池的膨脹力變化，對膨脹力進行分析。

測試設備：Arbin 300A-5V；測試夾具：自制壓力工裝；初始預緊力：＜3 kN；初始荷電狀態(SOC)：30%；安裝方式：夾具為鋁板，電池測試時位于夾具中部，以鋁制定位柱在四周進行定距裝載，電池水平放置，夾具頂部居中放置壓力傳感器，預緊力可調。

2 結果與討論

2.1 循環過程中膨脹力變化

對不同容量、不同尺寸的方型大容量磷酸鐵鋰電池進行研究，記錄循環過程中的膨脹力，其變化規律如圖 1 和圖 2 所示，圖中列舉了 Model1 電池 500 次循環過程中的膨脹力變化。隨著充/放電的進行，膨脹力呈現非線性變化。

圖1 循環過程中電池充電膨脹力變化 圖 1 所示為充電過程中膨脹力的變化，30%SOC 為第一個膨脹力的峰值，100%SOC 為第二個峰值，并且隨著循環次數的增加，膨脹力整體增加，并呈現相同的規律。圖 2 所示為放電過程中的膨 脹 力 變 化 ，膨 脹 力 的 峰 值 為 0% 放 電 深 度 (DOD) 和70%DOD，即對應的 100%SOC 和 30%SOC，同樣，隨循環次數增加，膨脹力呈現明顯的遞增規律。

圖2循環過程中電池放電膨脹力變化

2.2 膨脹力的變化規律分析

將循環過程中的膨脹力進行匯總分析，發現在不同SOC的變化規律略有不同：30%SOC 是膨脹力的第一個峰值，隨循環次數的增加，其增幅大于 100%SOC 的膨脹力，將 0%SOC 的膨脹力定義為 F0，30%SOC 的膨脹力定義為 F30，以此類推，100%SOC 的膨脹力定義為 F100，來觀察循環過程中 F30/F100的變化規律。

表1Model1 電池 45 ℃循環過程中峰值膨脹力的變化

我們發現，30%SOC 的膨脹力 會逐漸接近100%SOC 的膨脹力。如表 1 及圖 3 所示，從 600 次循環起，F30開始大于 F100，F30與 F100的比值逐漸增大到 103% 左右，并在該值基本保持恒定。

圖3循環過程中不同SOC膨脹力變化

2.3 溫度對膨脹力變化的影響

繼續觀察 F30 /F100 在 不同溫度下的變 化規律，同樣為Model1 電池，45 ℃下與 25 ℃下膨脹力的峰值比值變化規律有所不同。當初始預緊力(0%SOC)為 0 kN 左右時，常溫循環的膨脹力峰值比值增加速度較慢，如圖 4中的藍色曲線所示，25 ℃循環過程中，從 200 次循環開始，F30/F100的比值基本恒定為 80%，循環 800 次之后，該比值逐漸升高至接近 100%；而在高溫條件下，如圖 4 中的紅色曲線所示，從 100 次循環開始F30/F100就躍升至 90%，并在 600 次循環左右逐漸升至 100% 以上，恒定在 103% 左右。

圖4 不同溫度下循環膨脹力峰值比值變化

2.4 循環過程膨脹力與容量的相互對應

常溫循環及 45 ℃高溫循環，是目前評估電池使用壽命較為常用的兩種循環制式，圖 5 和圖 6 分別是 Model1 電池在 25和 45 ℃條件下，容量衰減和膨脹力峰值比的變化規律。

圖525 ℃循環膨脹力峰值比隨容量衰減變化曲線

常溫循環過程中，循環膨脹力的比值增長相對較慢，從圖 5 可以看出，隨著 F30/F100增加至 100% 以上，容量衰減曲線由線性衰減變為略帶弧度的曲線，從數據上來看，1 000 次循環以前電池容量的衰減率約為每 100 次循環容量衰減 0.35%；而 1 000次到1 600次，每 100次循環，容量衰減約 7%。

圖645 ℃循環膨脹力峰值比隨容量衰減變化曲線

圖 6 的 45 ℃循環曲線也呈現了類似規律，不考慮最初100 次的快速衰減，前 600 次的衰減規律為每 100 次容量衰減0.85%，當 F30/F100增加至 100% 以上后，600~1 500 次的衰減規律為每100次容量衰減0.95%。

由此可見，電池循環膨脹力的變化跟電池容量的衰減有一定關系。加拿大達爾豪斯大學 A.J. Louli 等的研究結果表明，鋰離子電池持續增長的壓力與可逆容量損失之間存在緊密的關聯，可以通過測量鋰離子電池的內壓變化實現對鋰離子電池容量衰減速度的預測。

2.5 不同電池的膨脹力分析

測試結果發現，不同型號電池循環膨脹力的變化趨勢很接近。圖 7 對比了不同型號的電池在 45 ℃循環過程中，膨脹力F30/F100的變化曲線，這一變化規律也很明顯，不同型號電池F30 /F100 的比值都在 600 次左右達到 100%，800 次左右達到103% 左右并保持恒定。從這些數據看出，不同電池循環膨脹力有相同的變化規律，F30/F100的值與循環衰減有密切的關系。

圖7不同電池45 ℃循環膨脹力比值

2.6 電池拆解分析

對初始狀態的電池及循環后的電池進行拆解，對不同荷電狀態下的電池厚度及電池極片厚度進行測量，極片厚度對比初始狀態有較大的增加，極片反彈率定義為極片厚度增量的百分比，即：

反彈率= (循環后極片厚度－初始極片厚度)/初始極片厚度×100%

表 2 的數據結果分別記錄了循環后電池的正極片和負極片在不同荷電狀態下厚度增加的比例。

表 2 循環后電池極片厚度變化 %

從表 2 的數據可以看出，負極片厚度變化的規律與電池充放電過程中的應力變化趨勢相同，推測力的變化與負極相關。

對循環后的電池進行拆解分析，將電池初始厚度記為100%，測試循環后電池厚度為 101.55%；測量極組厚度累加電池殼體厚度，累計為 101.52%；可推斷電池厚度的增加主要與極片的增厚相關；而電池在循環過程中膨脹力的增加主要來自于電池厚度的增加。

3 結論

鋰離子電池循環過程中，膨脹力與容量衰減有一定的關系：

(1)磷酸鐵鋰電池充放電過程中的膨脹力呈現非線性變化趨勢，類似正弦波分布，出現兩個峰值，第一個峰值約為30%SOC，第二個峰值為100%SOC。

(2)隨著循環進行，電池膨脹力會逐漸遞增。30%SOC 和100%SOC 膨脹力的增速不同，初期 F30＜F100；隨著循環進行，F30會逐漸大于 F100。

(3)測試結果表明，當F30＞F100之后，容量衰減會呈現加速趨勢。

基于這一規律建立模型，即可通過循環過程中的壓力變化來預測電池的循環壽命。

審核編輯：湯梓紅