电芯膨胀力研究揭示新挑战：如何保证电池安全与性能
电芯膨胀力研究揭示新挑战：如何保证电池安全与性能
随着新能源汽车和便携式电子设备的迅速普及，锂离子电池的性能与安全性成为了行业关注的重中之重。其中，电芯膨胀力的研究逐渐浮出水面，特别是在三元电芯（如NCM523）成为主流之后，其膨胀特性引发了广泛关注。
早期的磷酸铁锂电芯因其膨胀特性不明显，而长期处于被忽视的状态，但如今对电芯膨胀力的理解正在变得尤为重要。
电芯的膨胀力主要来源于电极材料在充放电过程中的物理变化。充电时，锂离子嵌入负极材料，使得电极的厚度增大，造成电芯膨胀；而在化成过程中，形成的固态电解质界面（SEI）膜也可能释放气体，导致不可逆的膨胀。研究表明，电芯膨胀力的变化和其容量密切相关。当容量低于80%时，电芯的膨胀力将急速上升，这是电池使用寿命的一个重要指标。
具体来看，三星SDI的94Ah电芯在电池大约80%容量时最高膨胀力可达到25kN，宁德时代的某37Ah电芯膨胀力在模组设计时考虑的值也达到了14kN。这些数值说明电芯在循环使用中面临着巨大内部压力，直接影响其性能和寿命。因此，研发团队正致力于通过两种方法来应对这一问题：物理限制和预留膨胀间隙。
为了解不同电极片数量对电池膨胀行为的影响，研究者们设计了两种不同配置的电池——分别为40张和60张电极片的铝壳电池（称为S40和S60），它们在相同的外壳设计和环境条件下进行循环测试。结果显示，在循环初期，虽然S40与S60电池的容量衰减趋势一致，但随着循环次数的增加，S60电池由于其更多的电极片出现了更快的容量衰减和膨胀力增长。原因在于，S60电池的膨胀空间受到限制，电极片的硬膨胀效应显著提升了内部压力，进而限制锂离子的传输效率，导致电池性能下降。
具体分析表明，S40电池和S60电池在充放电过程中膨胀力增长的速度、容量衰减表现都显示出明显的区别。尤其在不断充放电的末期，S60电池的膨胀力增速远大于S40，由于通道空间有限，电池的内部阻抗也随之增大。这一现象提示设计师在进行电池包设计时，需要充分考虑到电池的膨胀特性，确保整体结构的强度与耐用性。
在电池模块设计中，面对较大的膨胀力，研究者建议应增加模块内电池间的预留间隙，以减少膨胀引起的压力，但这通常受到空间限制。同时，适当增强电池包各个构件的强度，以确保其在使用过程中不发生破裂或变形，是设计的重要考量。因此，从材料选择到结构布局，都必须严谨设计，确保在循环寿命内的安全使用。
通过以上研究发现，针对电芯膨胀力的管理和控制是提高电池性能与安全性的关键所在。在新能源行业飞速发展的今天，理解电芯的物理和化学变化将为未来电池技术的改进铺平道路。这项研究不仅为行业提供了重要的数据支持，也为电池技术的可持续发展注入了新的动力，从而确保我们在追求绿色交通和清洁能源的道路上行稳致远。