圆柱和软包锂离子电池在不同SOC下挤压侵
挤压侵入(intrusion)测试是评价动力电池安全性的常见方法之一，其结果不仅可以帮助电池侵入测试的失效分析、提升电池单体的安全性，还能根据电池单体安全边界知道整车的系统设计。此外，动力电池四大主材正极、负极、隔膜和电解液的力学特性是存在差异的，挤压侵入过程电池哪一部分先出现问题是研究的重点。
与此同时，圆柱、软包和方形电池由于结构形式的不同，挤压侵入测试时表现行为也会存在差异。清华大学夏勇教授课题组深入研究了圆柱电池和软包电池在不同SOC下的挤压侵入表现，发现圆柱电池不同SOC侵入测试力学行为表现不同，而软包电池不同SOC侵入测试力学行为几乎一致，并最终发现两种电池侵入条件下内应力不同是导致以上力学行为差异的根本原因。详见State-of-ChargeDependenceofMechanicalResponseofLithium-IonBatteries:AResultofInternalStress,JournalofTheElectrochemicalSociety,,(7):A-A.
图文浅析：
图1.圆柱电池(a)和软包电池(b)拆解后内部结构；(c)圆柱电池侵入测试装置图。
实验所用的圆柱电池为NCA体系，电池容量3.3Ah；软包电池为NMC体系，电池容量20Ah。两种电池负极均为石墨。圆柱电池侵入测试用直径20mm的半圆柱形挤压头，直径与圆柱电池直径相当，速率为6mm/min；软包电池侵入测试用直径12.7mm的半球形挤压头，速率为1mm/min。
一．圆柱电池和软包电池不同SOC挤压侵入特征
图2.(a)圆柱电池0%挤压侵入；(b)图a的局部特写。不同SOC挤压侵入表现对比：(c)0%SOC；(d)10%SOC；(e)30%SOC挤压侵入；(f)50%SOC。
图2a所示为圆柱电池0%挤压侵入时的挤压力和电压曲线。挤压力出现了两次峰值，其中第一次峰值出现在外壳发生扭曲且JR受到损坏，第二次峰值出现在电池端部破损且JR挤出外露。仔细观察不难发现电压在力达到首次峰值之前就出现了降低，电压降低意味着内短路开始不断累积。图2b的局部特写可以清晰看到力达到峰值前电压曲线斜率发生变化，因此电压拐点可用于指示电池内短路。图2c-f中，部分30%SOC发生热失控，而50%SOC电池均发生热失控，因此30%SOC可作为电池热失控SOC拐点。此外，发生热失控的电池电压和挤压力迅速降低，而不会发生热失控电池则是缓慢降低。
图3.(a)圆柱电池挤压侵入电压降低前挤压力-位移曲线；(b)圆柱电池不同SOC挤压侵入发生电压降低时对应的位移；(c)软包电池半球形挤压头挤压曲线；(d)软包电池平端圆柱挤压头挤压曲线。
如图3a所示，圆柱电池挤压侵入受SOC影响，SOC越高电池的强度越大，侵入同等深度所需要的挤压力越大。图3b显示随着电池SOC的提高电压开始降低时刻所对应的侵入深度降低，表明SOC越高电池越容易发生侵入内短路。图3c-d是软包电池不同挤压头挤压侵入曲线，不难看出软包电池侵入特性不受SOC影响，且电压降低出现在挤压力峰值附近，电压拐点略晚于挤压力峰值点，与圆柱电池的挤压侵入特征完全不同。
图4.(a)圆柱电池和软包电池膨胀结构变化和体积变化示意图；圆柱电池(b)和软包电池(c)的JR在不同SOC挤压侵入结果。
基于以上分析结果，作者判断造成圆柱电池和软包电池挤压侵入特性不同的原因在于二者的内应力不同。如图4a所示，圆柱电池由于其卷绕结构和外壳的束缚，充电时极片体积膨胀会受到限制，从而造成电池内部压力增大。相反，软包电池是叠片结构且铝塑膜强度低，充电过程极片可自由膨胀，内压力几乎可忽略不计。为了验证以上推断，作者分别去圆柱电池和软包电池不同SOC下的JR进行了挤压侵入验证。如图4b-c所示，对于圆柱电池，同等侵入深度下30%SOCJR需要的力高于0%SOCJR，而软包电池0%-%SOCJR挤压力曲线几乎重合，初步验证了作者以上推断的合理性。
图5.(a)软包电池进行约束后进行挤压侵入测试；(c)软包电池四种不同约束形式下的挤压侵入结果。
为了进一步验证结论的可靠性，作者考察了软包电池不同约束形式下的挤压侵入表现，结果如图5所示。其中CaseA和CaseB电池均在满充后再放置到夹具中，CaseB夹具预紧力为0；而CaseC和CaseD电池则是在上好夹具后再满充，二者的夹具预紧力分别为0和5KN。约束条件下软包电池的自由膨胀会有受到限制，内部压力势必会增大。从图5结果不难看出，CaseA和CaseB的挤压力曲线几乎重合，CaseC加压力居中，CaseD的挤压力最大。以上结果进一步验证了结论的正确性，即自由状态下由于软包电池极片能自由膨胀导致软包电池挤压侵入特性不受SOC影响。
论文信息：
WeiLi,1YongXia,1,zJunerZhu,2andHailingLuo.State-of-ChargeDependenceofMechanicalResponseofLithium-IonBatteries:AResultofInternalStress.JournalofTheElectrochemicalSociety,,(7):A-A.
文/头上长树杈
