离子电池循环过程中的膨胀力变化

大家好，小科来为大家解答以上问题。离子电池循环过程中的膨胀力变化这个很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

解答：

1、离子电池循环过程中的膨胀力变化对模块和系统设计有着非常重要的影响。

2、电池在循环过程中容量的加速和衰减与电池受到过大的挤压力有关。因此，研究循环过程中膨胀力的变化对电池和系统的优化设计具有重要意义。

3、1个实验

4、本实验以不同型号的方形磷酸亚铁锂动力电池(型号1、型号2、型号3)为样品，置于限压工具中，分别在室温(255)、高温(455)充电和放电间隔为30分钟，通过压力传感器记录和分析电池的膨胀力。

5、测试设备：arbin 300 a-5v；测试夹具：自制压力夹具；初始预载：& lt<3kn；初始充电状态(SOC):30%；安装方法：夹具为铝板，测试时电池位于夹具中间。铝制定位柱用于四周固定距离加载，电池水平放置，压力传感器置于夹具顶部中央，预紧力可调。

6、2结果和讨论

7、2.1循环过程中膨胀力的变化

8、研究了不同容量和尺寸的方形磷酸铁锂电池，记录了循环过程中的膨胀力。变化规律如图1和图2所示，列出了Model1电池在500次循环中的膨胀力变化。

9、随着充放电的进行，膨胀力呈非线性变化。

10、图1循环过程中电池充电膨胀力的变化。图1显示了充电过程中膨胀力的变化。30%SOC是膨胀力的第一个峰值，100%SOC是第二个峰值。随着循环次数的增加，膨胀力整体增加，表现出相同的规律。

11、图2显示了放电过程中膨胀力的变化。膨胀力的峰值为0%放电深度(DOD)和70%DOD，即对应的100%SOC和30%SOC。同样，随着循环次数的增加，膨胀力呈现出明显的增加规律。

12、图2循环过程中电池放电膨胀力的变化

13、2.2膨胀力变化规律分析

14、通过总结分析循环过程中的膨胀力，发现不同SOC的变化规律略有不同：30%SOC是膨胀力的第一个峰值，随着循环次数的增加，其增加幅度大于100%SOC。0%SOC的膨胀力定义为f 0，30%SOC的膨胀力定义为f 30，以此类推，100%SOC的膨胀力定义为f 100，以观察循环过程中的膨胀力。

15、表1模型1电池在45循环过程中膨胀力峰值的变化

16、我们发现30%SOC的膨胀力会逐渐接近100%SOC的膨胀力。

17、如表1和图3所示，从600次循环开始，F30开始大于F100，F30与F100的比值逐渐增大到103%左右，基本保持在该值不变。

18、图3不同SOC在循环过程中膨胀力的变化

19、2.3温度对膨胀力变化的影响

20、继续观察F30 /F100在不同温度下的变化规律。同样是Model1电池，45和25膨胀力峰值比的变化规律不同。

21、当初始预紧力(0%SOC)约为0 kN时，常温循环膨胀力峰值比缓慢增加，如图4中蓝色曲线所示。在25的循环过程中，F30/F100的比值从200次循环开始基本恒定在80%，800次循环后逐渐上升到近100%。在高温条件下，如图4中红色曲线所示，F30/F100在100次循环后跃升至90%，在600次循环后逐渐上升至100%以上，并在103%左右保持不变。

22、图4不同温度下循环膨胀力峰值比的变化

常温循环及 45 ℃高温循环，是目前评估电池使用寿命较为常用的两种循环制式，图 5 和图 6 分别是 Model1 电池在 25和 45 ℃条件下，容量衰减和膨胀力峰值比的变化规律。

图525 ℃循环膨胀力峰值比随容量衰减变化曲线

常温循环过程中，循环膨胀力的比值增长相对较慢，从图 5 可以看出，随着 F30/F100增加至 100% 以上，容量衰减曲线由线性衰减变为略带弧度的曲线，从数据上来看，1 000 次循环以前电池容量的衰减率约为每 100 次循环容量衰减 0.35%；而 1 000次到1 600次，每 100次循环，容量衰减约 7%。

图645 ℃循环膨胀力峰值比随容量衰减变化曲线

图 6 的 45 ℃循环曲线也呈现了类似规律，不考虑最初100 次的快速衰减，前 600 次的衰减规律为每 100 次容量衰减0.85%，当 F30/F100增加至 100% 以上后，600~1 500 次的衰减规律为每100次容量衰减0.95%。

由此可见，电池循环膨胀力的变化跟电池容量的衰减有一定关系。

31、加拿大达尔豪斯大学 A.J. Louli 等的研究结果表明，锂离子电池持续增长的压力与可逆容量损失之间存在紧密的关联，可以通过测量锂离子电池的内压变化实现对锂离子电池容量衰减速度的预测。

2.5 不同电池的膨胀力分析

测试结果发现，不同型号电池循环膨胀力的变化趋势很接近。

34、图 7 对比了不同型号的电池在 45 ℃循环过程中，膨胀力F30/F100的变化曲线，这一变化规律也很明显，不同型号电池F30 /F100 的比值都在 600 次左右达到 100%，800 次左右达到103% 左右并保持恒定。

35、从这些数据看出，不同电池循环膨胀力有相同的变化规律，F30/F100的值与循环衰减有密切的关系。

图7不同电池45 ℃循环膨胀力比值

2.6 电池拆解分析

对初始状态的电池及循环后的电池进行拆解，对不同荷电状态下的电池厚度及电池极片厚度进行测量，极片厚度对比初始状态有较大的增加，极片反弹率定义为极片厚度增量的百分比，即：

反弹率= (循环后极片厚度－初始极片厚度)/初始极片厚度×100%

表 2 的数据结果分别记录了循环后电池的正极片和负极片在不同荷电状态下厚度增加的比例。

表 2 循环后电池极片厚度变化 %

从表 2 的数据可以看出，负极片厚度变化的规律与电池充放电过程中的应力变化趋势相同，推测力的变化与负极相关。

对循环后的电池进行拆解分析，将电池初始厚度记为100%，测试循环后电池厚度为 101.55%；测量极组厚度累加电池壳体厚度，累计为 101.52%；可推断电池厚度的增加主要与极片的增厚相关；而电池在循环过程中膨胀力的增加主要来自于电池厚度的增加。

3 结论

锂离子电池循环过程中，膨胀力与容量衰减有一定的关系：

(1)磷酸铁锂电池充放电过程中的膨胀力呈现非线性变化趋势，类似正弦波分布，出现两个峰值，第一个峰值约为30%SOC，第二个峰值为100%SOC。

(2)随着循环进行，电池膨胀力会逐渐递增。

50、30%SOC 和100%SOC 膨胀力的增速不同，初期 F30＜F100；随着循环进行，F30会逐渐大于 F100。

(3)测试结果表明，当F30＞F100之后，容量衰减会呈现加速趋势。

基于这一规律建立模型，即可通过循环过程中的压力变化来预测电池的循环寿命。

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