锂离子电芯在充放电过程中的膨胀行为有两种表现形式：厚度和应力，准确测量膨胀厚度和膨胀力，有助于优化电芯设计和提升电池在使用过程中的安全性能1-3。恒间隙模式的传统测试方法是采用一个钢板夹具，将电芯固定在压板中间，用螺栓固定上下压板的位置，在上压板处安装一个力传感器来监控压力变化，但此方法很难保证测试时上下压板间隙恒定，有时间隙会产生几十甚至几百微米的波动，如图1所示，红色曲线表示在电芯充放电过程中，传统夹具的间隙变化产生了65um左右的波动；恒压力模式的传统测试方法是在电芯表面放置恒定重物，但很难自由调节不同的压力4-7。基于以上问题，我们采用一种自动压力和位移控制系统来准确控制测试压力和间隙，实现真正的恒压力与恒间隙测试模式，如图1中的绿色曲线代表恒间隙模式下SWE测试系统的间隙几乎无变化。原位膨胀测试系统SWE结构示意图如图2所示。

图1. 传统测试方法与SWE测试系统恒间隙模式厚度控制对比

图2. 原位膨胀测试系统SWE结构示意图

实验设备与测试方法

1、实验设备：原位膨胀分析仪，型号SWE2110（IEST元能科技），设备外观如图3所示。

图3. SWE2110设备外观图

2.   测试信息

2.1 电芯信息如表1所示。

表1. 测试电芯信息

2.2 充放电流程：25℃ Rest 5min; 0.5C CC to 4.35V, CV to0.025C; rest 5min; 0.5C DC to 3.0V。

2.3 电芯恒压力模式测试：在SWE2110软件上选择“恒压力”模式，设置施加压力为10kg，开始测试，软件自动读取电芯厚度、厚度变化量、压力、测试温度、电流、电压、容量等数据。

2.4 电芯恒间隙模式测试：在SWE2110软件上选择“恒间隙”模式，设置初始状态对应的压力为10kg，开始测试，软件自动读取电芯厚度、厚度变化量、压力、测试温度、电流、电压、容量等数据。

原位分析软包电芯膨胀行为

1.   充放电过程电芯膨胀厚度和膨胀力曲线

       由图4电芯充放电曲线以及厚度和膨胀力曲线可知，充电时，电芯膨胀力和膨胀厚度均增加，满充时电芯膨胀力达到约160kg，电芯厚度膨胀约2%，放电时，电芯膨胀力和膨胀厚度均减小。充电和放电过程的厚度和力的曲线变化并未完全对称，说明存在不可逆厚度和应力残留。

图4（a）充放电过程中的电压和电流变化；（b）充放电过程中的膨胀厚度和力变化

2.   充放电过程电芯膨胀厚度和膨胀力与微分容量曲线分析

        图5为电芯膨胀厚度和膨胀力与微分容量曲线，微分容量曲线的每个峰对应脱嵌锂的相变，由图可知，在充电时，出现第一个阳极嵌锂峰时，厚度和力曲线斜率也对应增大，后续每个脱嵌锂峰都对应厚度和力曲线斜率的变化，说明正是由于发生了正负极结构相变才导致电芯膨胀厚度和膨胀力变化。

图5（a）膨胀力与微分容量曲线；（b）膨胀厚度与微分容量曲线      

总结 

       本文采用原位膨胀分析仪（SWE），对软包电芯在恒压力和恒间隙模式下，实时监控充放电过程中的膨胀厚度和膨胀力的变化，可发现膨胀厚度和膨胀力曲线与充放电过程的结构相变有关。锂电研发人员可采用该原位分析方法对不同体系和生产工艺的电芯进行膨胀行为分析，从而设计更优性能的电芯。

参考资料

AmartyaMukhopadhyay，Brian W.Sheldon. Deformation and stress in electrode materials for Li-ion batteries. Progress in materials science, 2014, 63,58-116.

JohnCannarella, Craig B. Arnold. State of health and charge measurements inlithium-ion batteries using mechanical stress. Journal of Power Sources, 2014, 269, 7-14.

RuiheLi, Minggao Ouyang et al. Volume Deformation of Large-Format Lithium IonBatteries under Different Degradation Paths.Journal of TheElectrochemical Society, 2019,166 (16) A4106-A4114

ShiyaoZheng, Yong Yang et al. Correlation between long range and local structuralchanges in Ni-rich layered materials during charge and discharge process. J. Power Sources. 2019,412,336–343;

Y.Reynier, R. Yazami, B. Fultz. The entropy and enthalpy of lithium intercalationinto graphite. Journal of Power Sources.2003, 119–121 850–855

JanN. Reimers and J. R. Dahn. Electrochemical and In Situ X-Ray DiffractionStudies of Lithium Intercalation in LixCoO2.Journal of Electrochemical Society, 1992, 139, 8

HaifengDai, Chenchen Yu, Xuezhe Wei, Zechang Sun. State of charge estimation forlithium-ion pouch batteries based on stress measurement. Energy, 2017,129, 16.