鋰電池產(chǎn)生的應(yīng)力按照來源可分為兩部分，一部分是來自外部的機(jī)械壓力，例如來自外部的擠壓、碰撞、針刺等狀況。另一部分的應(yīng)力來源于鋰電池內(nèi)的擴(kuò)散應(yīng)力，鋰化反應(yīng)時鋰離子嵌入活性顆粒，會造成顆粒體積的膨脹，而鋰離子在活性顆粒中脫出時，又會造成顆粒體積的收縮，正負(fù)極材料的膨脹特性不同會造成電池體積的變化?；钚灶w粒的膨脹與收縮會在電極上引起擴(kuò)散應(yīng)力的產(chǎn)生。同時電池的溫度變化會導(dǎo)致材料熱脹冷縮并產(chǎn)生熱應(yīng)力。

本文通過搭建電池膨脹力測試系統(tǒng)測量不同工況下電池表面壓力的大小，通過相變過程中的體積變化對表面壓力特性曲線進(jìn)行解釋，從而闡明電池表面壓力的變化機(jī)制。通過測量不同位置的表面壓力發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)部膨脹的不一致性，從而為電池組的固定提供參考。通過變溫實驗測量表面壓力，發(fā)現(xiàn)壓力信號的監(jiān)測可以與其他指標(biāo)相結(jié)合，對熱失控預(yù)警進(jìn)行預(yù)判，因此對電池充放電過程中膨脹力的研究是十分必要的

1 實驗方案

1.1 實驗對象

本文選用實驗對象為20Ah磷酸鐵鋰軟包電池，正負(fù)極集流體材料為鋁和銅，電極極片采用的是層疊方式，主要參數(shù)如表1所示。

1.2 實驗平臺

如圖1所示，電池夾具主要由兩塊與實驗電池大小適合的鋁合金板組成，通過螺栓與螺絲調(diào)節(jié)施加在電池表面的壓力，固定電池的間距。在鋰離子電池充放電的過程中，當(dāng)電池平面被夾具約束后，電池內(nèi)部會因夾板施加的壓力而產(chǎn)生應(yīng)力，電池內(nèi)部物質(zhì)發(fā)生應(yīng)變來緩解所受應(yīng)力，這就造成了電池體積的變化，而電池體積變化會對夾具產(chǎn)生擠壓力，這就會造成電池表面所受壓力的變化，表面壓力的變化反映了鋰電池內(nèi)部擴(kuò)散應(yīng)力的變化。

實驗平臺主要由薄膜壓力傳感器、電池夾板、充放電設(shè)備、上位機(jī)和高精度信號采集器組成，如圖2所示。電池充放電設(shè)備通過上位機(jī)編寫的工況對電池進(jìn)行充放電，并能記錄電流、電壓、容量等數(shù)據(jù)；壓力傳感器能夠檢測到電池受到的擠壓力變化，而安捷倫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠讀取這些壓力傳感器的讀數(shù)，從而記錄電池表面壓力的動態(tài)變化。

為探究電池平面上不同位置的膨脹力，在電池平面上取一定的數(shù)量點進(jìn)行檢測，如圖3所示。

1.3 實驗工況設(shè)置

1.3.1 不同充放電倍率下電池表面壓強測試

將壓力傳感器貼至電池中心，通過調(diào)節(jié)螺絲將電池表面壓力調(diào)整至100kPa。將電池放入25℃的溫箱中，分別以0.5C、1C、1.5C的倍率進(jìn)行恒流恒壓充電和恒流放電，同時測量電池表面的壓力。

1.3.2 不同位置處的電池表面壓強測試

在初始壓力為100kPa的條件下測量電池不同位置的表面壓力變化。標(biāo)定位置后，連接線路，將電池放入溫箱中，對于1、2號位置完成1C 三次充放電；3、4、5號位置完成0.5C、1C、1.5C各三次充放電試驗。

1.3.3 不同溫度下的電池表面壓強測試

將初始壓強為100kPa的電池放入溫度為5℃的溫箱內(nèi)，靜置3h。設(shè)置溫箱以0.3℃/min的速率升溫，同時給電池施加0.5C的電流進(jìn)行恒流恒壓充電。電壓達(dá)到截止電壓后立即進(jìn)行0.5C放電，同時改變溫箱的運行狀態(tài)，以0.3℃/min的速率降溫直至0℃。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 不同倍率下充放電時電池表面壓強實驗結(jié)果

圖4是0.5C倍率下電池的表面壓強隨電壓和時間的變化曲線，在0.5C、1C、1.5C下實驗測得電池表面壓強隨SOC變化結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，磷酸鐵鋰電池在充電時表面壓強上升，放電時表面壓強下降，在充放電過程中均出現(xiàn)了明顯的波峰波谷現(xiàn)象，在充放電過程中，壓強的變化并不是完全對稱的，隨倍率的增大，放電過程中的表面壓強越大，電池累積的壓力越大。

比較三種倍率下的表面壓強曲線可得，在初始壓強相同的情況下，充電倍率越大，表面壓強峰值越大。這是因為電流的大小不同造成內(nèi)部鋰離子的遷移速度不同，電流越大，鋰離子的遷移速度越快，同時嵌入活性顆粒的鋰離子就越多，體積變化率越大，固相鋰離子濃度梯度越大，這就造成內(nèi)部應(yīng)力的變化，如式(1)所示

式中：σe為范式等效力；σr、σθ分別為徑向、環(huán)向擴(kuò)散應(yīng)力；E為楊氏模量；Ω為偏

摩爾體積；v為泊松比；cav(r)-cs(r)表示活性顆粒內(nèi)部的固相鋰離子濃度差。

由此可得鋰電池內(nèi)部的擴(kuò)散應(yīng)力與濃度梯度的大小成正比，即濃度梯度越大，擴(kuò)散應(yīng)力也越大，從而導(dǎo)致電池表面的壓力增加。比較各倍率放電結(jié)束時的壓強值可以看出，在較小的倍率0.5C下，電池壓強恢復(fù)到100kPa，但是在1C、1.5C倍率下，壓強值在放電結(jié)束時均大于100kPa，表明電池發(fā)生了較為明顯的不可逆膨脹。隨著放電倍率的增加，不可逆膨脹和壓力累積也相應(yīng)增加。

從圖6中可以明顯看出，倍率越大電池充放電時產(chǎn)生的不可逆膨脹越多，殘余應(yīng)力越大。動力電池在經(jīng)歷上千次循環(huán)的動態(tài)充放電時，累積的壓力相較于恒流放電要更多，倍率放電的工況越多，壓力累積越多，電池要緩解這種壓力就要產(chǎn)生更大的形變。當(dāng)活性顆粒所受的應(yīng)力超過其承受極限時，活性顆?？赡軙屏眩瑥亩鴮?dǎo)致電池容量下降，并加速電池老化。因此緩解電池在充放電過程中的壓強對于電池安全運行以及提高電池壽命均有益處。

2.2 不同位置處表面壓強測試結(jié)果

如圖7所示，在1、2號位置，電池的變面壓力變化趨勢基本相同，壓強的數(shù)值相接近，可以看出，在前兩個循環(huán)中，充電時1號位置產(chǎn)生的表面壓強要大于2號位置，只有在第三次循環(huán)時，充電末期2號位置的表面壓強超過1號位置。由于1、2號位置更接近極耳，因此表面壓強的波動性更大。在圖8中可以看出充電時在波谷結(jié)束之前，1號位置的表面壓強始終大于2號位置。

圖9是3、4、5號位置處的表面壓強曲線，3號位置處的壓強曲線較平穩(wěn)，隨著倍率的增大，最大壓強值略有增加，每次放電結(jié)束后的壓強值均低于100kPa，出現(xiàn)了“應(yīng)力松懈”現(xiàn)象。4號處的壓強曲線明顯低于位置3與位置5，這是因為在充放電過程中電池平面各位置產(chǎn)生的形變不同使得位置4處的壓力傳感器與夾具之間并不是緊密接觸而造成的測量差異，4號位置處的最大壓強隨倍率的增大和循環(huán)的增加而上升。在電池平面的5號位置處，電池的表面壓強最大，并且應(yīng)力累積更嚴(yán)重,隨著循環(huán)的進(jìn)行，最大壓強值不斷增大，這說明此處產(chǎn)生的體積變化最大，與夾具之間的擠壓最強。

2.3 溫度變化時電池表面壓強測量結(jié)果

如圖10所示，在不同溫度條件下對實驗電池進(jìn)行充放電時，可以觀察到電池表面壓強隨著溫度和充電狀態(tài)的變化而變化。與在恒定溫度下充放電相比，變化溫度下的電池表面壓強變化更為顯著，且變化速度更快。在高溫條件下，由于材料的熱脹冷縮效應(yīng)，電池體積在放電后不會完全收縮回充電前的狀態(tài)，而是保持一定的膨脹。這解釋了為什么在放電結(jié)束后，電池表面壓強在一段時間內(nèi)保持不變的現(xiàn)象。

在電池充電過程中，表面壓強隨著電壓的增加而上升。當(dāng)充電達(dá)到截止條件時，壓強值從100kPa升至434kPa，這一數(shù)值明顯超過了0.5C倍率下恒溫充放電時記錄的最大壓強值。隨著溫度和荷電狀態(tài)的上升，盡管表面壓強的變化不再呈現(xiàn)恒溫條件下的波峰波谷現(xiàn)象，但壓強的增長仍然出現(xiàn)了減緩的階段。這一現(xiàn)象與電池內(nèi)部活性材料的相變密切相關(guān)。而在其放電過程中，即使溫度下降，電池表面的壓強也沒有下降而是持續(xù)上升，增長速度有所放緩，最大值為548.15kPa，放電結(jié)束時達(dá)到497kPa，一次充放電壓強變化為初始壓強的397%。在充電結(jié)束后，通過測量靜置過程中的溫度和壓強，發(fā)現(xiàn)壓強呈緩慢下降趨勢，鋰離子電池內(nèi)部運動歸于“平靜”，電池膨脹減小。這時再次恒速率升溫，發(fā)現(xiàn)壓強并沒有明顯的趨勢改變，說明溫度的變化對擱置狀態(tài)下的鋰電池表面壓強影響不如充放電時大。

在充電過程中，溫度的變化造成電壓平臺的變化，如圖11所示的電壓曲線，溫度對磷酸鐵鋰電池的電化學(xué)性能有顯著影響，恒溫充電的電壓平臺高于變溫充電，并且恒壓充電的時間更長，而變溫充電由于后期溫度升高，充入的電量更多，恒壓充電時間更短。

由此可推斷，在電動汽車行駛過程中，動力電池處在復(fù)雜的工作環(huán)境中，其電流、溫度、外部壓力都在發(fā)生著變化。從力學(xué)角度分析，電池在變溫條件下內(nèi)部的應(yīng)變和應(yīng)力與恒溫條件下有顯著差異，且在變溫條件下電池的膨脹更為顯著。在電池發(fā)生熱失控的早期，電壓與溫度變化不明顯，對于熱失控的預(yù)警存在偏差。通過圖11可以看到電池變溫運行時，壓力的變化十分迅速且壓力值變化明顯，這說明相對于溫度的變化，電池體積的變化更早、更迅速,因此將壓力檢測傳感器與溫度、電壓檢測相結(jié)合，共同作為電池?zé)崾Э氐念A(yù)警信號，不僅能提高預(yù)測的精度還能提高預(yù)測的速度。

2.4 電池膨脹機(jī)制解釋

由圖12可得電池在充電時隨著鋰離子不斷地嵌入石墨負(fù)極，石墨活性顆粒體積會膨脹，導(dǎo)致電池體積增大，從而使得電池表面壓力上升。然而，在SOC= [0.3,0.7]時，電池表面壓力的變化呈現(xiàn)出先上升后下降再上升的趨勢，直到充電結(jié)束時達(dá)到最大值。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是鋰離子在插入石墨負(fù)極上的活性顆粒時伴隨著相變過程，會生成不同的中間化合物，石墨的層間距會發(fā)生變化從而導(dǎo)致體積變化不再是像充電起始時的近似線性上升。在這一SOC區(qū)間內(nèi)，伴隨著碳原子從C18向C12、C6結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，石墨層間距保持相對穩(wěn)定，石墨顆粒的膨脹并不顯著。因此，在充電過程中，該SOC區(qū)間內(nèi)的電池表面壓力變化相對較小。

在放電時，壓強在SOC=[0.2,0.9]變化更加接近正弦函數(shù)變化，說明此時正負(fù)極的相變而導(dǎo)致的體積變化相對于充電時更大，充放電時的相變過程并不完全一致。磷酸鐵鋰電池的膨脹主要來自于石墨負(fù)極,正極的影響很小。在電池放電時鋰離子從石墨負(fù)極脫離，負(fù)極活性顆粒收縮,因此表面壓力下降。在放電時，石墨負(fù)極從LiC6化合物逐步轉(zhuǎn)變?yōu)長iC12和LiC18化合物，這一過程中石墨層間距變化不大，導(dǎo)致負(fù)極體積變化較小，因此外部壓力的變化也不顯著。與此同時，正極的FePO4在得到鋰離子后轉(zhuǎn)變?yōu)長iFePO4，伴隨著體積膨脹。在這一階段，正極材料的體積變化起主導(dǎo)作用，導(dǎo)致電池整體壓力上升。石墨相變結(jié)束后，負(fù)極的活性顆粒進(jìn)一步失去鋰離子，體積收縮，層間距縮小，負(fù)極占據(jù)主導(dǎo)地位，電池整體體積收縮，因此壓力再次下降，直到充電結(jié)束。

由圖13可知電池的表面壓強和SOC有很強的依賴性，對于1C、1.5C的表面壓強曲線也有相同的關(guān)系。通常，電池電壓、電流和溫度等外特性參數(shù)可直接測量，這些參數(shù)能夠體現(xiàn)電池內(nèi)部的狀態(tài)變化。在電池的電壓平臺階段,電壓的變化幅度僅為0.07V，相對較小，然而電池表面壓力的變化卻遠(yuǎn)大于電壓的變化，波動更為明顯。根據(jù)本文的工作，可以將表面壓力的測量作為電池充放電時又一可實時測量的外部信號，由于表面壓力的變化與活性顆粒的的嵌鋰和脫鋰過程直接相關(guān)，因此壓力信號比電壓信號更能反映鋰離子的擴(kuò)散過程與濃度變化。這對于SOC的估計有重要意義，可以將表面壓力作為SOC估計的一種輔助方法，提高估計的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

本文開發(fā)了電池內(nèi)膨脹應(yīng)力在線測試裝置，通過該裝置對20Ah磷酸鐵鋰軟包電池在多種工況下進(jìn)行了表面壓力的實際測量，并繪制出了電池表面壓力的特性曲線。通過不同倍率的充放電實驗，觀察到電池表面壓力的累積效應(yīng)：充放電倍率越高，循環(huán)次數(shù)越多，壓力累積也越顯著。當(dāng)這種壓力累積達(dá)到一定程度時，可能會導(dǎo)致電極顆粒破裂，從而引起電池容量的損失。在極端情況下，這種壓力累積甚至可能觸發(fā)熱失控現(xiàn)象。由于電池表面不同位置的壓力分布存在差異，固定電池時應(yīng)盡量避開壓力峰值區(qū)域，以防止因擠壓而產(chǎn)生過大的機(jī)械壓力，從而避免對電池造成損傷。通過變溫實驗發(fā)現(xiàn)，電池的表面壓力對溫度的變化較為敏感，使用薄膜壓力傳感器對壓力進(jìn)行檢測，當(dāng)電池溫度上升時，內(nèi)部膨脹力顯著上升。因此，未來研究中可以將壓力檢測與電壓、溫度信號檢測相結(jié)合并作為電池?zé)崾Э仡A(yù)警的關(guān)鍵性指標(biāo)，不僅能提高預(yù)警的準(zhǔn)確性，還能加快預(yù)警的響應(yīng)速度。

文獻(xiàn)參考：王克飛,劉彤,張妹,趙楊梅,時瑋.磷酸鐵鋰動力電池充放電膨脹力研究[J].燕山大學(xué)學(xué)報,2025,49(2):130-136

【免責(zé)聲明】版權(quán)歸原作者所有，本文僅用于技術(shù)分享與交流，非商業(yè)用途！對文中觀點判斷均保持中立，若您認(rèn)為文中來源標(biāo)注與事實不符，若有涉及版權(quán)等請告知，將及時修訂刪除，感謝關(guān)注！

-----------------------------------------------------------------

0、重磅 | 《新能源汽車動力電池包PACK設(shè)計課程從入門到精通40講+免費分享篇》視頻-2025年課程安排

持續(xù)更新：典型電池包案例分析（奧迪etron、捷豹I-pace、大眾MEB、MODEL3、通用BOLT等）：

為什么選擇這套課程：

大家好，我是LEVIN老師，近10年專注新能源動力電池包PACK系統(tǒng)設(shè)計、電池包熱管理設(shè)計及CFD仿真。

該課程是全網(wǎng)唯一系統(tǒng)層級的PACK設(shè)計教程，從零部件開發(fā)到結(jié)構(gòu)設(shè)計校核一系列課程，重點關(guān)注零部件設(shè)計、熱管理零部件開發(fā)、電氣零部件選型等，讓你從一個小白從零開始入門學(xué)習(xí)新能源電池包設(shè)計。

2024回饋新老新能源人，（新能源電池包技術(shù)）公眾號特惠，為方便大家提升，限量50份半價出售全套《新能源電池包PACK設(shè)計入門到進(jìn)階30講+免費能分享篇》、《Fluent新能源電池包PACK熱管理仿真入門到進(jìn)階28講+番外篇》視頻課程，并送持續(xù)答疑！了解更多課程，加微信號詳詢：LEVIN_simu

1、獨家 | Ansys Fluent新能源動力電池PACK熱仿真從入門到精通28講-2023年課程安排（電池包熱仿真）

說明：第5部分為免費分享篇，部分內(nèi)容來源于網(wǎng)絡(luò)公開資料收集和整理，不作為商業(yè)用途。

解決動力電池包MAP等效4C充電、熱失控?zé)嵋种啤?/span>恒功率AC/PTC滯環(huán)控制電路SOC模型設(shè)置教程；是目前市場上唯壹一套從PACK模型的簡化到熱模型建立和后處理評價標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)講解。希望能幫助到大家。

了解更多《動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計》、《starccm+電池包熱仿真課程》、《儲能系統(tǒng)熱管理設(shè)計與仿真課程》，
關(guān)注公眾號：新能源電池包技術(shù)
或加右方微信號：LEVIN_simu

---

聲明：本文系轉(zhuǎn)載自互聯(lián)網(wǎng)，請讀者僅作參考，并自行核實相關(guān)內(nèi)容。若對該稿件內(nèi)容有任何疑問或質(zhì)疑，請立即與鐵甲網(wǎng)聯(lián)系，本網(wǎng)將迅速給您回應(yīng)并做處理，再次感謝您的閱讀與關(guān)注。