约束压力对电池循环性能有哪些影响 你知道吗？

 

无论是圆柱电池、软包电池还是方形电池，在电动车中使用时都是处于力约束状态，譬如模组的形式。力约束一方面是起到固定电池的作用，同时最大限度消除电池充放电和长期使用过程膨胀对电池性能带来的负面影响。如何更好地对电池进行力约束一直是值得探讨的研究方向。在此问题上，德国大众就曾研究过不同约束方式对NMC622软包电池电性能的影响[4]。对于目前各个企业正在积极研发的硅氧/硅碳负极体系电池，由于体积膨胀更大，将来的力约束更是个大问题。本文要介绍的工作来自捷豹路虎的工程师Julie Chevalier和英国华威大学的研究人员共同开展的研究，通过对比不同约束压力（无约束、5 psi和15psi）下15 Ah NMC软包电池循环和功率性能，结果显示约束压力对电池循环和倍率特性有显著影响，这也启发电池应用工程师在模组和pack设计时应该充分考虑电池的约束问题。

 

实验所用为15Ah NMC体系的软包电池，电池尺寸18.6*16.5*5.6cm。循环过程电池用尺寸20*20*2.5cm的铸铁夹具固定，具体示意如上图所示（注：图中夹具似乎锈蚀的有些厉害…）。为了考察约束压力的影响，作者根据该电池在整车端模组、pack中的实际约束条件选择了三组压力：0 psi、5 psi和15psi。软包电池所受压力通过压力传感器片进行测量，循环测试在25℃温箱中进行。电池在50%-100%SOC之间以1C进行循环，在150、300、450、600、800、950、1200周停止进行容量保持率、脉冲功率和EIS测试，直至电池容量衰减30%循环测试停止。

 

 

    图2是压力传感器片所测得的5 psi和15psi约束状态下电池表面的压力分布状态。可以看到与通常认为的受压下电池表面压力均匀分布不同：(1) 5 psi约束状态下电池边缘部位压力较高、中间部分压力相对较小。虽然夹具固定时定义的压力为5 psi，但可以看到电池中间部分区域所受压力为3-4 psi，甚至局部出现1-2 psi；(2)15 psi约束状态下电池表面整体受力较为均匀，只有极少面积压力值较低。注：从图2结果看电池在夹具固定时如何确保电池整体受力均匀是非常值得关注的，夹具的平整度、螺母固定的顺序及固定工具都需要仔细检查。

 

    同0psi相比，5psi和15psi约束状态下电池纯欧姆电阻分别增加了0.74mΩ和0.58mΩ。根据双电层电容公式C=εS/d=εS/4πkd(式中C为电容值，ε为材料相关常数，S为电容极板正对面积，k为静电力常数，d为极板间距离)，受压状态下电池的双电层电容增大，同时电解液的浸润性提高、电荷转移电阻降低，二者共同导致图3中受压状态下的EIS图圆弧区域面积较0psi减小。此外，电池在受压状态下隔膜会发生一定程度的蠕动导致电极间的离子传导率降低，最终导致纯欧姆电阻增大。

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从图4中我们可以清楚看到约束压力对电池循环性能的影响。在前450周，循环曲线几乎重合，约束压力对电池循环性能的影响并不明显。但从450周以后，0psi电池的容量衰减明显更快，其次是5psi，容量保持最好的是15psi约束的电池。循环1200周，0psi、5psi和15psi约束的电池容量分别衰减11.0%、8.8%和8.4%。与循环容量结果相对应，循环过程电池的纯欧姆电阻均在不断增加，循环1200周0 psi、5psi和15 psi约束的电池纯欧姆电阻分别增加了19.6%、31.7%和18.2%。并且从图5中还可以看到前600周纯欧姆电阻的增加速率高于后600周。

 

    图2显示电池刚5psi约束时其表面压力分布不均匀，边缘部位压力较大而中间部分区域压力值较低。但从图6a和图6c我们可以看到循环后电池表面的压力分布不仅变得更为均匀，而且压力值较初始固定时所采用的5psi有所提高，局部甚至超过了6psi。图2显示电池刚15psi约束时其表面压力分布较为均匀，但从图6b和图6d中却可以清晰看到循环后电池表面压力分布不均匀，同时整体压力值较电池初始固定时所用的15psi有所提高。