单体电芯与模组电芯膨胀性能关联性分析
随着新能源行业快速发展，锂离子动力汽车已经得到广泛应用，锂离子电池的安全性能也越发重要。单体电芯通过串、并联方式组合形成模组，在长周期的充放电循环过程中，单体电芯由于脱嵌锂以及产气等原因会产生一定程度的膨胀，从而对模组壳体的结构强度产生影响。在电池包或整车体系中，若单体电池的膨胀力过大，可能会撑破外壳造成安全风险。因此，在电池的长周期循环测试中需要引入对膨胀性能的监测。
由于电池单体在组成电池模组时以不同数量、不同的串并联方式组合，不同设计的模组预紧力也会不同，所以需要对若干影响膨胀性能的因素进行试验，初步探索电池单体‑模组的膨胀变化规律，结合仿真模拟，可以帮助更好地设计模组。本实验通过对比单电芯和多电芯在充放电过程中的膨胀厚度和膨胀力关联性，为电池模组膨胀力的预测仿真提供基础性数据。
图1. 单体电芯与模组示意图¹
1、实验设备与测试方法
1.1实验设备：原位膨胀分析仪，型号SWE2110（IEST元能科技），设备外观如图2所示。
图2. SWE2110设备外观图
1.2测试流程：
1.2.1电芯信息如表1所示。
| Information of cell | |
| Cathode | NCM |
| Anode | Graphite |
| Capacity | 2000mAh |
| Voltage | 3.0~4.2V |
| Model | 345877 |
1.2.2充放电流程：25℃ Rest 60min; 0.5C CC to 4.35V, CV to 0.05C; rest 30min; 1.0C DC to 3.0V。
1.3电芯厚度膨胀测试：将待测电芯放入设备对应通道，开启MISS软件，设置各通道对应电芯编号和采样频率参数，软件自动读取电芯厚度、厚度变化量、测试温度、电流、电压、容量等数据。
2、实验过程及数据分析
如图3所示，电芯和模组膨胀测试时一般有三种模式：（a）没有任何约束的自由膨胀的测量；（b）施加恒定预紧力的电池单元膨胀测量；（c）恒定间隙的电池单元膨胀测量。电池或模组单元可以分解成两个等效刚度元件：内部电芯的等效刚度ka和外壳的等效刚度kc。
三种情况的平衡条件下受力分析如图3所示，在第一种情况下，外壳限制了内部卷芯的膨胀，外壳受力和卷芯受力达到平衡，对外合力为零；在第二种情况下，外部预紧力负载 ( F 0 ) 施加到电池上，会导致电池外壳的初始位移（图 3b中的 s0和s0,c），相两侧束缚板增加了垂直于电极的方向上的等效刚度ks，平衡条件下预紧力F0（与两侧束缚版受力Fs相同）等于卷芯和电池外壳受力之和；在第三种情况下，恒定测量间隙时，因为间隙固定条件，电池膨胀时卷芯和电池外壳的膨胀也不同于自由条件下的膨胀。
总之，由于模组是多个电池组合在一起的，电池外壳和电池之间的塑料垫片在受力过程中都会存在收缩和膨胀，所测试的厚度和力是电极嵌脱锂膨胀与收缩以及其他部件膨胀与收缩共同结果。本文分别采取恒压力和恒间隙测试模式，研究单体与模组之间的关联性。
图3. 电芯和模组单元膨胀测试三种模式²
2.1 单体与模组膨胀厚度关联性探究
如图4所示，为了模拟单体电芯之间的隔层，电芯测试前贴一层白色PET膜。电芯叠加测试方式如图5所示。开启原位膨胀分析仪（SWE2110），设置200kg恒压力模式，以并联方式充放电，分别原位测试单独电芯和叠加电芯充放电的膨胀厚度变化，如图6所示：实线为电芯实际膨胀变化曲线，虚线为拟合叠加曲线（算术和）。从结果来看，单电芯和叠加电芯均表现出充电膨胀放电收缩的现象，这主要是由于脱嵌锂过程导致石墨和三元材料的结构膨胀和收缩。随着叠加电芯数量的增加，模组整体的膨胀厚度不断增加，并且多电芯的叠加膨胀量曲线（蓝色实线）与单电芯叠加算术和膨胀曲线基本一致（蓝色虚线），仅在充电末期和放电末期存在一些差异，这可能与各单体电芯的一致性差有关，并且随着电芯叠加数量的增加，这种实测的曲线与拟合的曲线差异越大，这说明越是多电芯的模组，对单体的一致性要求应该越高。
图4. 电芯贴PET膜示意图；图5. 电芯叠加示意图
图6. 各电芯及叠加后膨胀厚度变化曲线
2.2 单体与模组膨胀力关联性探究
设置恒间隙模式，以并联方式充放电，分别原位测试单体电芯和叠加电芯充放电过程的膨胀力变化，如图7所示。从结果来看，随着模组中叠加的电芯数量增加，模组的总膨胀力不断增加，但是模组电芯膨胀力的绝对值与单体电芯的膨胀力并没有倍数关系，通常比多个单体电芯膨胀力相加的数值要小，且叠加的电芯数量越多，绝对值相差的越大，这可能是控制恒间隙的边界条件，会让模组中的单体电芯与单独一个电芯充放电时状态不同，影响了电化学性能，需要进一步探究差异的原因。可以将成组前单体电芯和成组后单体电芯容量纳入考量同时对比分析，堆叠后压力并没有呈线性增长，可能是因为堆叠后电芯叠加的较大压力在达到一个临界值后压缩了极片间甚至更微观尺寸的空间，势必在电池性能上有所体现！
图7. 各电芯及叠加后膨胀力变化曲线
由以上结果可知，模组或PACK固定安装在电池包外壳之内，单体电池之间的垫片对模组整体的受力和膨胀都会有比较大的影响。优异的电池模组设计能够消除单体电芯的膨胀影响。近日，宁德时代推出的麒麟电池整合使用需求，将横纵梁、水冷板与隔热垫合三为一，集成为多功能弹性夹层。在夹层内搭建微米桥连接装置，灵活配合电芯呼吸进行自由伸缩，提升电芯全生命周期可靠性。
图8. 宁德时代麒麟电池多功能弹性夹层
3、总结
本文采用原位膨胀分析仪（SWE）对同体系单体电芯和不同数量的模组电芯进行充放电过程的膨胀厚度和膨胀力分析，发现恒压力模式下，模组电芯的膨胀厚度变化趋势可以用单电芯算术和进行拟合，而恒间隙模式下则不满足简单的算数拟合方式，这与两种边界条件的测量模式下电芯单体的受力情况不同，下一步可以继续探讨不同测试模式下的受力模型，更详细解析电极的膨胀过程。
4、参考文献
1.Yongkun Li, Chuang Wei, Yumao Sheng, Feipeng Jiao, and Kai Wu. Swelling Force in Lithium-Ion Power Batteries，Ind. Eng.Chem. Res，2020, 59, 27, 12313–12318.
2.Oh K Y , Epureanu B I , Siegel J B , et al. Phenomenological force and swelling models for rechargeable lithium-ion battery cells[J]. Journal of Power Sources, 2016, 310(Apr.1):118-129.
3. Martin Wünscha,Kaufmana, Dirk Uwe Sauer. Investigation of the influence of different bracing of automotive pouch cells on cyclic liefetime and impedance spectra. Journal of Energy Storage 21 (2019) 149–155.
4. 邱世涛，陈朝海，江吉兵.泡棉性能对电池模块膨胀力的影响. 广东化工，2020，47(22)：1-3
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