宁德时代关于锂离子功率电池膨胀力的研究

文/逐日

为满足电动汽车对高能量、长寿命的需求，以镍钴锰三元材料为正极的锂离子电池已成为产业化的重点。设计一个安全、可靠、耐用的电池系统是确保新能源电动汽车行业健康发展的必要条件。锂离子插拔产生的膨胀力不仅危害电池系统的安全，而且会影响电池的使用寿命。此外，膨胀力随循环次数的增加而增大。在本文中，来自宁德时代（CATL）的研究人员研究了不同电极片数对电池膨胀力的影响。当电极与铝壳间隙相等时，电池内电极片数越高，膨胀力越大，容量衰减速度越快；模块内部的膨胀力也更强。由于电极片越多，模块内的膨胀力越强，因此需要对各个结构部件的强度进行更强的设计，以确保模块在设计寿命期内安全耐用。研究结果对电池系统的设计具有一定的指导意义。

为了研究由不同数量的电极片组成的电池和模块的循环膨胀行为的差异，采用三元正极材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 (NCM523)和石墨负极来制备电极片，40个电极片和60个电极片被组装成铝壳电池，分别名为S40和S60。两种电池唯一的区别就是电极片的数量，电极与方形铝壳之间的装配间隙是一致的。方盒的高度和宽度相同，电池的结构如图1a、b所示。S40电池和S60电池被组装成相同尺寸的模块。为了保持模块级电极片数相同，S40电池采用6组电池系列组装模块(简称S40_1P6S)， S60电池采用4组电池系列组装模块(简称S60_1P4S)。模块的简化原理图如图1c、d所示。

 

图1. 实验电池及模块示意图：(a) S40电池，(b) S60电池，(c) S40_1P6S模块，(d) S60_1P4S模块。

对S40电池和S60电池在25℃下进行循环实验，记录循环过程中膨胀力随充放电过程的变化。得到相应的曲线如图2和图3所示。从图中可以看出，S40电池与S60电池在循环1000次左右之前的容量衰减趋势基本相同，这段时间内膨胀力的增长也呈现出一致的趋势。在相同温度下，相同设计的不同电极片数组合电池的循环容量衰减趋势和膨胀力增长趋势基本相同，且不受电极片数的影响。此时，可能是电池内电极的膨胀仍在电极片与铝壳之间的预留间隙内，没有明显的硬膨胀。

随着循环次数的增加，S60电池在循环约1000次后，与S40电池相比，容量衰减趋势加快，膨胀力增长趋势也加快。在电池循环的最后阶段，由于S60电池的电极片较多，其电极片的硬胀和产气也比S40电池多。由于两种电池的电极片与铝壳之间的间隙是相同的，所以S60电池的膨胀首先超过了预留的间隙，最后阶段膨胀力上升更快。同时，由于膨胀力的存在，锂离子的传输受到限制，电池内部阻抗也随之增大，导致电池容量更快地衰减。可以看出，在电极与铝壳间隙相同的情况下，电极片数较多的电池在循环达到一定阶段后，膨胀力增大较快，膨胀力的加速也会导致容量衰减。

图2. 电池容量衰减和膨胀力。

图3. 电池充电和放电曲线，（a）S40，（b）S60。

模块的设计不仅要能承受外部振动和冲击所造成的损坏，还要能承受电池产生的膨胀力所产生的应力。将S40电池和S60电池装配成相同长度的模块。因为S60电池的厚度和容量是S40电池的1.5倍，为了确保两种类型的模块的长度和级别是相同的，S40电池组装成一个1P6S模块，S60电池组装成一个1P4S模块。就模块结构设计内部而言，每个S40和S60电池前表面之间的间隙分别为2.4 mm和2 mm。S40_1P6S模块电池间总间隙为12mm, S60_1P4S模块电池间总间隙为6mm。对两个模块进行循环实验，同步监测模块端板的容量衰减和膨胀力变化。从图4可以看出，随着膨胀力的增大，两个模块的容量保持率都减小，这再次证明了膨胀力导致了容量的衰减。S60_1P4S模块早期的膨胀力与S40_1P6S模块几乎相同；但经过约400次循环后，其上升速率明显快于S40_1P6S模块，其容量衰减速率也明显高于S40_1P6S模块

S60_1P4S模块也随着膨胀力的增大而加速增长。第一个原因可能是S60_1P4S模块的总预留间隙小于S40_1P6S模块，因此电池的总膨胀空间较小，端板处的膨胀力较大，因此膨胀力也较大。另一个原因是，根据之前对电池膨胀力的分析，S40和S60中电极与铝壳之间的间隙是相同的，电极片数越多，最后一个时期的膨胀力越大；因此，循环400次后，S60_1P4S模块的膨胀力增长较快。因此，由于S60_1P4S模块中电池中的电极片越多，膨胀力越强，需要增加各个结构件的强度，以确保模块在设计寿命期内安全耐用。另一方面，为了提高循环寿命，需要在模块内的电池之间设计较大的间隙，这样可以减小膨胀力，提高循环寿命。但是，通常没有足够的空间来保留模块较大的间隙，因此膨胀力和间隙应同时考虑。

图4. 模块的容量衰减和膨胀力关系。

仿真对于缩短产品开发周期，提高开发效率和质量具有重要意义，在电池产品设计阶段起着非常重要的作用。通过对不同数量电极片和模块的电池膨胀力特性的研究表明，膨胀力不仅影响电池的容量，而且影响模块的结构安全性。以往的研究表明，电池膨胀力会增加容量的损失，可以指导模块的设计。因此，电池的膨胀力可能会对电池组装成模块后的模块的其他结构部件造成一定的损坏，如端板、侧板等。为了确保模块的结构在整个生命周期内不会因电池膨胀而失效，研究模块内电池产生的膨胀力就显得尤为重要。

本文基于之前的膨胀力数据，通过仿真来评估模块设计的结构强度是否满足要求。主要是评估模块的端板、侧板、端板焊缝的强度是否能承受模块的膨胀力。对S40_1P6S和S60_1P4S模块进行膨胀力模拟，评估模块膨胀对端板、侧板和端侧板焊缝产生的应力。比较模块设计的强度失效阈值，以评估设计的强度值是否能够承受模块内所有电池在生命周期内的膨胀。图5a−f所示的仿真结果为S40_1P6S和S60_1P4S模块端板、侧板、端板焊缝的应力值。同时，仿真还可以计算模块在整个生命周期(EOL, 1000周期)膨胀后的长度变化。模拟结果表明，S60_1P4S模块端板、侧板和焊缝上的溶胀力大于S40_1P6S模块。端板模拟应力值为370.84 MPa, S40_1P6S模块端板破坏阈值仅为215 MPa，不能满足S60_1P4S模块端板强度的设计要求。因此，S60_1P4S模块端板设计的失效阈值为380MPa。

通过对两个模块膨胀力的仿真分析，也可以证明电池内电极片越多，在电极与铝壳间隙相同的情况下，模块内膨胀力越大。因此，如果采用多片电极片的电池，对模块结构强度的要求会更高。在封装结构的设计中，有必要考虑模块更大的膨胀空间。从上面的分析中发现S40电池、S60的电池、S40_1P6S模块和S60_1P4S模块的膨胀力的分析结果可以有效地指导模块设计，包括终板、侧板、焊缝强度、模块安排等，在电池包设计中起着重要的作用。

图5. 模块膨胀力仿真：(a−c) S40_1P6S模块仿真，(d−f) S60_1P4S模块仿真。

参考文献：Swelling Force in Lithium-Ion Power Batteries；Yongkun Li, Chuang Wei, Yumao Sheng, Feipeng Jiao,* and Kai Wu*.