在軟包鋰離子電池的封裝中，需要壓力來固定電池，電池
自身充放電循環(huán)也會發(fā)生膨脹形成壓力。電池受到的壓力過
大則會對電池造成損壞，壓力過小則不能讓電池固定
。
本實驗對某公司生產(chǎn)的疊片式
37Ah軟包鋰離子電池施加適當?shù)膲毫Σ⑻骄?/span>
在適當壓力下
的軟包鋰離子電池的性能、容量衰減及電池膨脹等。
本實驗選取三元聚合物軟包鋰離子電池為實驗對象，正
極材料為 NCM111，負極材料為石墨，該電池的型號
為K74/212/269，其產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)表如表1，容量為37Ah。
表
1 K74/212/269
電池參數(shù)表
針對壓力實驗設計了加壓裝置如圖1所示。在前期的研
究實驗中，對比四組電池不同壓力下電池剩余容量表現(xiàn)，結果
如表2所示。由表中數(shù)據(jù)可知，當施加的壓強為69kPa 時，電
池性能有最優(yōu)值，因此本實驗電池加載的最優(yōu)壓強為69kPa。
不同電池的最優(yōu)壓強是不一致的，此數(shù)值要根據(jù)不同材料、不
同生產(chǎn)工藝及實驗數(shù)據(jù)進行設計，以達到最佳效果。
為了避免電池自身產(chǎn)生的應力導致電池容量的衰減，本
文將軟包鋰離子電池夾在上下甲板之間并用硅膠墊來緩沖容
納掉一部分膨脹應力。為避免溫度的影響，本實驗將在25℃
的環(huán)境下進行。三元電極材料內(nèi)部為層狀結構，其合成容易，
成本低，電化學容量高，并且具有快速充放電能力，循環(huán)性能
也比較好，不足之處是放電電壓平臺相對較低，首次充放電效
率低。
充放電設備以及數(shù)據(jù)采集用新威CT-3008W-5V20A-NTF，
具體循環(huán)如下：
(1)先用恒流充電(0.5，18.5A)將電池充至電
壓4.2V；
(2)以4.2V的電壓充電直到電流低于0.74A(0.02
)；
(3)然后將充電完成的電池擱置10min；
(4)以18.5A的電
流對電池進行恒流放電，直至端電壓低于3V；
(5)擱置10
min，進入下一個循環(huán)。
圖2為充放電現(xiàn)場圖。
通過電池的放電能力曲線能很好地觀測出電池的放電性
能。本實驗取初次、第100次、第500次、第1000次、第1500
次和第2000 次在一定壓強下的放電能力曲線進行對比，實驗
結果如圖3所示。
從圖 3 中可以看出，在電池不同的壽命階段，電池初次循
環(huán)的性能與其他循環(huán)相比有較大的差異。
這是因為電池的初
次充放電是對電池內(nèi)部正負極物質的一種激活，在首次充放
電循環(huán)中，Li+ 第一次在正負極之間脫嵌，在電池內(nèi)發(fā)生電化學
反應，會在碳負極與電解液的相界面上形成鈍化層，也就是在
初次循環(huán)過程中消耗 Li+ 生成SEI膜，所以在首次電池化成過
程中會與其他放電能力曲線不同。
在相同電流下，SOC
對電池
的充放電效率影響不大，因為本實驗放電是恒流放電，所以放
電能力曲線基本保持一致。
放電能力曲線的初始縱坐標是指
電池經(jīng)過恒流恒壓充電完成后，經(jīng)過一段時間擱置后的初始
電壓。
從圖3中也可以看出，當電池充放電次數(shù)超過1000個
循環(huán)時，電池放電的初始電壓明顯不如前1000個循環(huán)，初始
電壓都低于4.1V，而充電工藝是恒流充電到4.2V，電壓下降
了0.1V，這也能說明電池壽命到了中期和末期電池的儲電能
力明顯不如電池壽命前期。我們也可以通過不同壽命階段放
電能力的不同來判斷電池的SOH
。但是即使經(jīng)過2000次循
環(huán)，電池仍然保持不錯的放電能力。
電池SOH
(state of health)是指蓄電池的電池容量、健康
度、性能狀態(tài)，定義為電池從滿電狀態(tài)下放完電放出的容量和
對應標稱容量的比值。
通過上位機對一定壓強下電池實驗循
環(huán)次數(shù)與電池容量的監(jiān)測得出在一定壓強下電池SOH
與循
環(huán)次數(shù)曲線圖，再與未加壓電池的對比得到圖4。
圖4 2000次循環(huán)加壓與未加壓實驗對比
從圖4可以
看出，加壓電池循環(huán)初始時充放電容量曲線呈現(xiàn)斷崖式跌落，
首次的電池容量要比后面的實驗循環(huán)電池容量高許多，這是
因為首次充放電時會形成SEI膜，
SEI膜的形成會消耗Li+，導
致電池首次不可逆損失。所以前幾次的充放電容量大于其他
的充放電容量，這也說明三元鋰電池首次放電能力比較差。
通過對比，可以看出加壓電池在循環(huán)開始
SOH
突然下
降，這說明電池初期放電的不穩(wěn)定性，隨著循環(huán)次數(shù)增加，
SOH
緩慢地升高。
而未加壓電池隨著電池循環(huán)次數(shù)的增加，電
池
SOH
處于一直衰減的狀態(tài)。
正常三元鋰離子放電循環(huán)曲線
也是如此。
大概在700次循環(huán)時，加壓電池的
SOH
反而超過
了未加壓電池，而且經(jīng)歷 1 800 多次循環(huán)過后，未加壓電池的
電池容量只有最初的80%，接近電池壽命末期，而加壓電池經(jīng)
過2000次循環(huán)后還在一個穩(wěn)定的容量附近上下浮動，仍然具
有良好的放電能力，這說明適當?shù)臋C械壓力對電池壽命有明
顯影響，有利于抑制電池容量的衰減，讓電芯接觸更加緊密，
讓電解液保持更加良好，減少活性鋰的損失，提升電池在中后
期的充放電性能，延長電池的循環(huán)壽命，將電池的壽命周期往
后推。針對本實驗用到的37Ah疊片式軟包鋰離子電池，該合
適的壓力能延長電池壽命10%以上。
在鋰電池的研究中，應力松弛和膨脹是不可忽略的一部
分，文獻表明在鋰電池的充放電過程中會發(fā)生各種極化現(xiàn)
象，比如歐姆極化、活化極化和濃差極化，具體表現(xiàn)在電池容
量的損失，而且極化損失也會造成充放電過程的應力差異。文
獻表明電池電極的膨脹對電極的組件有壓迫作用，會使其
中的隔膜等材料發(fā)生彈性形變，而內(nèi)部組件的彈性形變將會
消耗能量而產(chǎn)生熱量，所以其外部表現(xiàn)為電池形變引起壓強
變化。
加壓電池實驗中四個壓力傳感器位置如圖5所示。圖6
是電池某一個循環(huán)過程中四個傳感器受到的壓強變化。因為
充放電制度都是0.5 ，所以圖6前120min是充電過程，中間
擱置10min然后進入120min的放電階段。文獻研究表
明，三元鋰電池的整體漲縮是由于鋰離子嵌入負極引起的。當
鋰離子都嵌入負極時應有最大的膨脹量，所以電池充電結束
的時候傳感器受到的壓強是最大的。并且，還可以看出近電池
負極端的3號壓力傳感器在循環(huán)過程中的壓強變化最大，接
近40kPa，其他傳感器則變化相對較小。
圖6 某一循環(huán)過程中四個傳感器壓強變化
電池的四個部位在充電過程中由于電池的膨脹受到的壓
強是慢慢增大的，而在放電階段電池受到的壓強則慢慢變小
恢復到最初的壓強。鋰離子在不同的工作狀態(tài)(充電、靜止、放
電)對應著不同的內(nèi)部力學機制。在具體的一個電池充放電循
環(huán)中，充電過程壓力逐漸增大又在放電過程中恢復過來。
為了探究電池的壽命與受到的壓強的關系，每隔30個循
環(huán)測一次實驗數(shù)據(jù)，測量結果如圖7所示。
從圖7中可以看出，隨著電池的循環(huán)使用，電池四個不同
部位受到的壓強隨著電池循環(huán)次數(shù)增加而不斷變化，并且在
前中期一直處于緩緩上升階段。這說明隨著電池的充放電循
環(huán)，電池的不可逆膨脹也越來越明顯，電池受到的壓力越來越
大。從一開始的初始壓強69kPa，經(jīng)過1300個循環(huán)左右均上
升到了100kPa以上，其中3號傳感器受到的壓強變化相比其
他傳感器要更劇烈。負極的近極耳端3號傳感器受到的壓力
始終大于電池整體受到的平均壓力，變化的壓強接近100
kPa。這是因為三元鋰電池的正極材料是NCM111，
根據(jù)文獻的研究顯示，這種材料一般具有穩(wěn)定的方晶結構，
隨著Li+的脫嵌其晶格變化也不是很明顯。但一般負極石墨端
在充放電循環(huán)的過程中，Li+在石墨層之間脫嵌會打破石墨層
之間的力學平衡，造成原子之間的斥力增加，因此石墨端會發(fā)
生膨脹。同時，電池受到的壓強變化主要集中在前1600次循
環(huán)，之后的循環(huán)壓強則穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，這也說明電池內(nèi)
部的不可逆膨脹主要發(fā)生在電池壽命的前中期，電池壽命后
期內(nèi)部膨脹和壓強變化則相對穩(wěn)定。電池厚度的最大膨脹量
在此充放電條件下基本保持不變，并且電池的不可逆膨脹是
較為長期緩慢的過程。經(jīng)過2000次充放電循環(huán)后，電池厚度
達到76mm，膨脹了2.7%。
本文探究了37Ah軟包鋰離子電池的壓強與電池循環(huán)壽
命的關系，也探究了循環(huán)過程中電池受到的壓強與電池不同
狀態(tài)(充電、擱置、放電)的關系。通過實驗得出：一定的壓力有
利于減緩電池容量衰減、提高電池放電能力以及縮短正負極
之間的距離。在充放電循環(huán)中，電池在充電完畢時膨脹量最
大，此時電池內(nèi)部受到的擠壓力也越大，而放電過程則是一個
恢復過程。電池生命周期中，電池的不可逆膨脹主要發(fā)生于前
中期并在后期達到最大，電池負極膨脹相較于正極更加明顯，
負極膨脹是電池膨脹的主要原因。針對本實驗用到的37Ah
疊片式軟包鋰離子電池，適當?shù)膲毫δ苡行а泳忞姵貕勖?/span>
10%以上，并且在此壓力下電池最終膨脹了2.7%。
