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天天消息！大容量LFP电池循环膨胀力测试研究！

2022-07-12 05:33:53来源：锂电联盟会长  

锂离子电池循环过程中的膨胀力变化，对模组及系统设计具有很重要的影响。

电池循环过程中容量的加速衰减，跟


(相关资料图)

电池受到的挤压力过大有一定的相关性，因此，研究循环过程

中的膨胀力变化，对电池及系统的优化设计具有重要意义。


1 实验

本实验以不同型号的方型磷酸铁锂动力电池为样本

(Model1、Model2、Model3)，置于限位压力工装内，分别在常温

(25±5) ℃及高温(45±5) ℃条件下，进行 1 C 恒流恒压充电及 1

C 放电的循环，充放电间隔为 30 min，并采用压力传感器记录

充放电循环过程中电池的膨胀力变化，对膨胀力进行分析。


测试设备：

Arbin 300A-5V；

测试夹具：

自制压力工装

；

初始预紧力：

＜3 kN；

初始

荷电状态(SOC)：

30%；

安装方式：

夹具为铝板，电池测试时位

于夹具中部，以铝制定位柱在四周进行定距装载，电池水平

放置，夹具顶部居中放置压力传感器，预紧力可调。


2 结果与讨论

2.1 循环过程中膨胀力变化

对不同容量、不同尺寸的方型大容量磷酸铁锂电池进行

研究，记录循环过程中的膨胀力，其变化规律如图 1 和图 2 所

示，图中列举了 Model1 电池 500 次循环过程中的膨胀力变

化。

随着充/放电的进行，膨胀力呈现非线性变化。

图1 循环过程中电池充电膨胀力变化

图 1 所示

为充电过程中膨胀力的变化，

30%SOC 为第一个膨胀力的峰

值，

100%SOC 为第二个峰值，并且随着循环次数的增加，膨胀

力整体增加，并呈现相同的规律。

图 2 所示为放电过程中的

膨 胀 力 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，随循环次数

增加，膨胀力呈现明显的递增规律。

图2

循环过程中电池放电膨胀力变化

2.2 膨胀力的变化规律分析

将循环过程中的膨胀力进行汇总分析，发现在不同SOC

的变化规律略有不同：

30%SOC 是膨胀力的第一个峰值，随循

环次数的增加，其增幅大于 100%SOC 的膨胀力，将 0%SOC 的

膨胀力定义为 F0，30%SOC 的膨胀力定义为 F30，以此类推，

100%SOC 的膨胀力定义为 F100，来观察循环过程中 F30/F100的

变化规律。

表1Model1 电池 45 ℃循环过程中峰值膨胀力的变化

我们发现，30%SOC 的膨胀力 会逐渐接近

100%SOC 的膨胀力。

如表 1 及图 3 所示，从 600 次循环起，

F30

开始大于 F100，

F30与 F100的比值逐渐增大到 103% 左右，并在

该值基本保持恒定。

图3循环过程中不同SOC膨胀力变化

2.3 温度对膨胀力变化的影响

继续观察 F30 /F100 在 不同温度下的变 化规律，同样为

Model1 电池，

45 ℃下与 25 ℃下膨胀力的峰值比值变化规律

有所不同。

当初始预紧力(0%SOC)为 0 kN 左右时，常温循环

的膨胀力峰值比值增加速度较慢，如图 4中的蓝色曲线所示，

25 ℃循环过程中，从 200 次循环开始，

F30/F100的比值基本恒定

为 80%，循环 800 次之后，该比值逐渐升高至接近 100%；

而在

高温条件下，如图 4 中的红色曲线所示，从 100 次循环开始

F30/F100就跃升至 90%，并在 600 次循环左右逐渐升至 100% 以

上，恒定在 103% 左右。

图4 不同温度下循环膨胀力峰值比值变化

2.4 循环过程膨胀力与容量的相互对应

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。

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。

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。

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。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。


参考：刘萍,曲新波,李加林,等. 大容量磷酸铁锂动力电池循环膨胀力研究[J]. 电源技术,2021,45(8):993-995.

DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2021.08.009.

标签： 变化规律 锂离子电池 电池容量

责任编辑：hnmd003

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