锂离子电池膨胀力测试方法详解

锂离子电池作为目前炙手可热的储能载体，已被广泛应用于各行各业，随着应用场景的增加，对电池的安全性也同样有更高的要求。

在锂离子电池充放电过程中会伴随着不同程度的膨胀，一方面会影响电池装配空间的形变，另一方面，不可逆的膨胀累积也会引起活性材料的结构破坏，从而加快容量衰减。如果膨胀较大，壳体材料无法抵抗膨胀力，甚至可能造成安全问题。

引起电池膨胀的重要原因

化成时形成SEI 并产气，电池内气压升高，由于方形电池平面结构耐压能力差，因此造成壳体变形；

充电时电极材料晶格参数发生变化，造成电极膨胀；

高温贮存时，少量电液分解及由于温度效应气体压力增大。

由于近些年来锂离子电池热失控导致的火灾事故频发，锂离子电池的进一步发展受到抑制。除通过监测电池温度变化和内部气体产生以外，研究锂离子电池的膨胀对开发热失控预警系统及提高锂离子电池的安全性具有重要意义。

因此，天策电子提出了一种新型测试模组膨胀力的测试方法，可以帮助人们评估电池的安全性能，为电池的设计和应用提供参考。

此次实验采用了磷酸铁锂电池组成模组进行实验。放置 4 张薄膜式压力传感器于正极端板侧、负极端板侧、中间处及1/4处，采集模组内部膨胀力变化趋势及放置位置的电芯大面膨胀力变化趋势，进行记录与数据分析。

测试设备

进行电芯膨胀力测试前，需要确定测试条件，包括测试温度、测试时间、加载力的大小和加载方式等参数。需要根据被测电池的实际情况进行合理的设定，避免测试条件过于苛刻或不切实际。

准备测试仪器，我们使用的是一台可以测量几乎任何两个配合表面之间的力或界面压力的传感器。

※采集设备：G-scan

※传感器型号：CN1619

※测试面积：162mm*192mm

※测试量程：500psi

实验方案

如图1所示。此次实验采用使用了磷酸铁锂电池组成模组进行实验，使用自主设计的膨胀力测试工装，膨胀力采集装置使用圆盘压力传感器与薄膜式压力传感器配合使用，放置在 25℃环境下进行测试，采取 1CP充放循环制式，在循环全过程对电池膨胀力进行分析。

图1.圆盘压力传感器与薄膜式压力传感器配合使用

在图2中，列举了模组 2300 次循环与膨胀力变化曲线，可以看出，模组循环至 2300 次时，模组外部受到膨胀力大小为 7.5KN左右，模组预计循环 5000 次，膨胀力预计增长至15KN，在设计模组时，应考虑模组紧固器件能否承受模组循环后期的膨胀力。

图2.模组容量保持率与膨胀力曲线

如图3所示，为圆盘传感器与薄膜式压力传感器采集膨胀力变化曲线，由于受到采集装置的影响，之前采集模组膨胀力只能采集模组外部所受整体的膨胀力大小或者采集模组内部单点膨胀力，模组内部不同位置电芯所受膨胀力均采集不到，只存在于仿真得知，应用此方法测得膨胀力能够采集到了模组内部不同位置的膨胀力大小。

图3.模组内部不同位置膨胀力曲线

结果分析

此实验模组内部放置4张薄膜式压力传感器与正极端板侧，负极端板侧，中间处，1/4处，从图4可以看出模组在循环 60 次--1200 次--1900 次时，4 张膜采集到的压力分布变化，清晰的看出膨胀力时如何变化，哪个位置膨胀力变化相对较快，电芯间放置不同材料，不同厚度介质是否合理。

图4.  模组内部不同位置压力分布

总结

通过压力分布测量系统，不仅采集到电池所受膨胀力大小，还实时监测到电池大面所受膨胀力的压力分布，使分析出了模组内部电芯间放置泡棉或者结构胶的利弊，为测试提供了便利。

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关于天策

常州天策电子科技有限公司是一家以自主研发压力分布测试系统为核心，制造为基础的系统研发、生产、应用为一体的科技型企业。公司成立之初就组建了以清华大学博士主导的研发团队，团队涉及高分子材料、物理电子、工业设计等领域，团队也成为国内最早从事分布式薄膜压力传感器及采集系统研究的团队。

经过近五年的研发，公司已开发出G-Scan压力分布测试系统；打造了近百款CN系列分布式薄膜压力传感器；围绕分布式薄膜压力传感器首创了气囊标定检测系统，解决了国内薄膜压力传感器质量评估及检测难题。2022年，公司分布式薄膜压力测量系统荣获常州市创新产品，公司项目参加全国创新创业大赛，获得了江苏省创新创业大赛优秀企业奖，并获批国家高新技术企业。

产品围绕薄膜压力分布检测而展开，可满足客户各类型压力分布测试需求。客户应用领域包括汽车电子、新能源电池、LED屏幕等国家新兴产业。测试方向包括汽车座椅、雨刮器、刹车片压力测试；贴合机、封装机平整度测试等领域。主要工业客户包括华为、上海比亚迪、浙江杭可科技等诸多上市公司。常州天策电子科技有限公司也在不断地扩大研发团队，努力在产品本身上下功夫，以更好的产品，回馈客户，以最好的售前售后服务，服务于每一个客户。

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