鋰離子電芯在充放電過程中，隨著鋰離子的不斷嵌入和脫出，電芯厚度會出現一定程度的膨脹和收縮，由于正負極材料的結構變化是不完全可逆的，隨著循環(huán)的增加，電芯的不可逆厚度也在不斷增加1-3。若在充放電過程中對電芯施加一定的壓力，則能在一定程度上減小電芯的膨脹，提升電芯循環(huán)倍率性能。本文采用原位膨脹分析儀（SWE），對NCM523/石墨電芯（3446106，理論容量2400mAh）進行不同恒定壓力條件下（50N/500N/1000N）厚度測試，對比分析電芯膨脹行為。
測試信息
1. 測試設備：原位膨脹分析儀，型號SWE2100（IEST元能科技），可施加壓力范圍50~10000N，可調控溫度-20℃~80℃。
2. 測試參數：
2.1 充放電流程：25℃ rest 5min; 0.5C CC to 4.35V, CV to 0.025C; rest 5min; 0.5C DC to2.8V。
2.2 電芯厚度膨脹測試：將待測電芯放入設備對應通道，開啟MISS軟件，設置各通道對應電芯編號，采樣頻率，測試壓力等參數，軟件自動讀取電芯厚度、厚度變化量、測試溫度、電流、電壓、容量等數據。
結果分析
電芯在3種恒定壓力條件下進行0.5C充放電測試，膨脹曲線如圖1所示。三種加壓壓力對應的壓強分別約為0.01MPa、0.1MPa、0.2MPa。考慮到不同電池之間的微小差異，三種壓力下電池的最大膨脹厚度均約為1.7%，且整體趨勢均為恒流充電時厚度增加，恒壓充電時厚度基本不變，恒流放電時厚度減小。
圖1.電芯在3種恒定壓力下充放電曲線和膨脹曲線
2. 膨脹曲線與微分容量曲線分析
對比電芯在3種恒定壓力條件下的膨脹曲線和微分容量曲線，如圖2。充電過程中，膨脹曲線的兩個拐點分別對應微分容量曲線的兩個峰，說明電芯膨脹與脫嵌鋰相變有關。3種壓力對應的膨脹曲線在充電時差異較小，放電時差異較大，這可能與電芯在高電壓區(qū)間發(fā)生不同程度的不可逆膨脹有關。
圖2.電芯在3種恒定壓力條件下的膨脹曲線和微分容量曲線
3. 充放電過程不可逆性膨脹分析
電芯在3種恒定壓力條件下的膨脹與SOC曲線，如圖3。充電和放電對應的膨脹曲線的間距代表了不可逆膨脹，隨著壓力的增加，電芯在滿放時的不可逆膨脹分別為0.22%、0.07%、0.01%，這說明適當增加壓力可減小電芯的不可逆膨脹比例。
圖3. 3種恒定壓力下不同SOC的膨脹曲線
總結
本文采用原位膨脹分析儀（SWE）對NCM523電芯在不同恒定壓力條件下充放電過程中的厚度膨脹進行分析。在1000N范圍內，隨著施加壓力的增加，電芯的不可逆膨脹逐漸減小，后續(xù)可進一步探究施加壓力對電芯不可逆膨脹的影響。
參考資料
1.YongkunLi, Chuang Wei, Yumao Sheng, Feipeng Jiao, and Kai Wu. Swelling Force inLithium-Ion Power Batteries. Ind. Eng.Chem. Res, 2020, 59, 27, 12313–12318.
2.XimingCheng and Michael Pecht. In Situ Stress Measurement Techniques on Li-ionBattery Electrodes: A Review. Energies,2017, 10, 591.
3.AmartyaMukhopadhyaya, Anton Tokranova, Xingcheng Xiaoc, Brian W. Sheldona. Stressdevelopment due to surface processes in graphite electrodes for Li-ionbatteries: A first report. ElectrochimicaActa, 2012,66, 28–37.
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