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简介

锂离子电池循环过程中膨胀力的变化对模块和系统的设计有重要影响。电池循环过程中容量的加速衰减与高容量电池的过度挤压有一定的关联性。因此，研究高容量电池循环过程中膨胀力的变化具有重要意义，对电池和系统的优化设计具有重要意义。

高容量电池的实验

以不同型号的方形磷酸铁锂动力高容量电池为样品（Model1、Model2、Model3），置于极限压力工装中，分别在室温（25±5）℃和高温（45±5）℃下进行1C恒流恒压充电和1C放电循环，充放电间隔为30min。

 

 

并通过压力传感器来记录电池在充放电周期内的膨胀力，分析膨胀力。而如果你想了解更多关于磷酸铁锂动力电池的信息，请阅读中国十大铁锂电池制造商。

 

循环膨胀力的结果和讨论

循环过程中膨胀力的变化

研究了不同容量和尺寸的方形高容量磷酸铁锂电池，并记录了循环过程中的膨胀力。Model1电池500次循环的膨胀力随着充/放电的进行呈现出非线性的变化。

充电过程中膨胀力的变化，30%SOC是第一个膨胀力的峰值，100%SOC是第二个峰值，随着循环次数的增加，膨胀力总体上增加，并呈现出相同的规律性。

 

 

膨胀力在放电过程中发生了变化，膨胀力的峰值是0%的放电深度（DOD）和70%的DOD，即对应100%SOC和30%SOC。同样，随着循环次数的增加，膨胀力呈现明显的上升规律。

 

膨胀力的变化规律分析

在高容量电池中，对循环中的膨胀力进行总结分析，不同SOC下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，增幅大于100%SOC，0%SOC的膨胀力为F0，30%SOC为F30，以此类推，100%SOC的膨胀力为F100，观察F30/F100在循环中的变化规律。

我们发现，30%SOC的膨胀力会逐渐接近100%SOC的膨胀力。如数据所示，从600次循环开始，F30开始大于F100，F30与F100的比例逐渐增加到103%左右，并且基本保持在这个数值上。

 

温度对膨胀力变化的影响

在不同的温度下，观察了F30 / F100的变化规律。对于Model1电池，45℃和25℃时膨胀力的峰值比变化模式是不同的。当初始预紧力（0%SOC）约为0kN时，常温循环中膨胀力的峰值比缓慢增加。在25℃循环中，经过800次循环，F30/F100从100次循环开始，F30/F100达到90%到100%。

 

膨胀力与容量的相互对应关系

常温循环和45℃高温循环是评价电池使用寿命的两个常用的循环系统。模型1的电池在25℃和45℃条件下，容量衰减和膨胀力峰值比的变化规律：

 

 

在正常的温度循环中，循环膨胀力的比率增长是比较缓慢的。随着F30/F100增加到100%以上，高容量电池的容量衰减曲线由线性变为微弯曲线。从数据上看，1 000次循环前的电池容量衰减率约为每100次循环0.35%，每1 000次循环约为7%。

● 45℃循环曲线也呈现类似的规律，无论前100次快速衰减，前600次容量衰减规律为每100次容量衰减0.85%。当F30 / F100增加到100%以上时，600到1500的衰减规律是每100容量衰减0.95%。

可以看出，高容量电池循环膨胀力的变化与电池容量的衰减有关。结果表明，锂离子电池持续增长的压力与可逆的容量损失之间存在着密切的关联，通过测量锂离子电池的内部压力变化可以预测锂离子电池的容量衰减率，例如可以通过测量锂离子高尔夫球车电池的内部压力变化来预测锂离子电池的容量衰减率。

 

不同电池的膨胀力分析

测试结果发现，不同型号高容量电池的循环膨胀力的变化趋势非常接近。与不同型号电池在45℃循环中F30/F100的变化曲线相比，这种变化规律也很明显。

 

 

不同型号电池的F30/F100的比值在600次左右达到100%，在800次左右达到103%左右，并保持不变。从这些数据可以看出，不同电池的循环膨胀力具有相同的变化规律，F30/F100的数值与循环衰减密切相关。

 

大容量电池拆解分析

对初始状态的电池和循环电池进行拆解，测量不同充电状态下的电池厚度和电池极片厚度。与初始状态相比，极板厚度大大增加。极板回弹率被定义为极板厚度增量的百分比，即：回弹率=（循环后的极片厚度减去初始电极厚度）/初始电极厚度100%。

从数据中可以看出，阳极极片厚度的变化与电池充放电过程中的应力变化趋势一致，推断出力的变化与阳极有关。拆开循环电池，记录初始厚度为100%和101.55%；加上电池外壳厚度为101.52%；推断电池厚度的增加和循环过程中电池膨胀的增加主要来自于电池厚度的增加。

 

 

总结

在大容量锂离子电池的循环过程中，膨胀力与容量衰减有一定的关系：

● 磷酸铁锂大容量电池充放电过程中的膨胀力呈现非线性变化趋势，类似于正弦波分布，有两个峰值，第一个峰值约为30%SOC，第二个峰值为100%SOC。

● 随着循环的进行，电池膨胀力将逐渐增加。30%SOC和100%SOC膨胀力的增长速度不同，最初的F30小于F100；随着循环的进行，F30将逐渐大于F100。

试验结果表明，F30以后容量衰减的速度比F100要快。根据这一规律，可以通过循环过程中的压力变化来预测电池的循环寿命。