约束外压力与锂电池循环初始状态的关联性 ①

张良新，李丽娟,*，袁雪芹，宋林霏，张 峥，彭 文

(1.合肥国轩高科动力能源有限公司，安徽 合肥 230012；2.皖西学院材料与化工学院，安徽 六安 237012)

1 引言

锂离子电池由于其高能量密度，环境友好性在消费类电子及电动汽车领域得到了广泛的应用。于此同时，市场对高能量密度及长循环性能的要求也是锂离子电池面临的重大挑战[1-3]。应用于电动汽车领域，锂离子电池通常按照一定的连接方式被组装成模组，再组装成电池包。通常单体电池的性能参数都是在无约束条件下获得的，整包的电性能不同于单体电池的简单叠加，需要考虑压力、产热、散热、电池一致性等多方面因素的影响。因此，单体电池的电性能并不能完全等同于模组或电池包中的性能发挥。在上述影响因素中，电池在组装模组中所受到的约束是一个不可忽略的因素。通常单体电池的循环在自由状态下进行。多个电池组装形成模组后，循环过程导致的单个电池体积变化，不可避免会影响临近电池的受力状态。此外，成组过程中也会对其整体电池施加一定的预压力，由此造成了模组中电池的受力状态完全不同于单个电池。因此，有必要对电池约束力范围的影响因素进行研究，供模组设计参考，选取合适的工艺参数。

2 实验部分

2.1 仪器

主要仪器：外压力传感器CPR162-5T-082，深圳科普瑞厂家；锂电池新威测试柜(CT-4032-5V50A-NTFA，深圳产)。

2.2 实验方案

2.2.1 所用电池及充放电方案

所用电池为容量38 Ah的三元方形电芯，该方形电芯尺寸为厚度27 mm×宽度148 mm×高度91 mm，正极材料为Li(Ni0.3Co0.3Mn0.3)O2(合肥产)，负极为人造石墨(深圳产，电池级)。电池循环过程中采用的充放电范围为3.0 V-4.2 V，采用的充放电方案为1 C恒流恒压充电至4.2 V，1 C放电至3.0 V。

2.2.2 循环外压力与循环约束初始充放电态

初始外压约束力固定，保证SOC为50%状态下，将电池约束后初始循环状态设定为充电和放电态两种情况。观察循环过程中，电池约束外压力随着循环的变化情况。

2.2.3 循环外压力与循环约束初始SOC状态

初始外压约束力固定，将电池约束后初始循环状态统一设定为放电态，约束电池初始放电SOC分别设定为0% SOC(充)、25% SOC、50% SOC、75% SOC、100% SOC共5个梯度，观察初始约束SOC变化的情况下，电池约束外压力随着循环的变化情况。

3 结果与讨论

3.1 循环约束初始充放电态对循环外压力的影响

首先，我们考察了在50% SOC条件下对电池施加200 kg预压力后，充电和放电对电池实际约束力范围的影响，如图1所示。从图中可得知，电池所受的实际压力波动与电压变化保持一致。外压力随着充电电压的增加而增加，随着放电电压的减小而减小。搁置阶段，外压力几乎恒定不变。

电池实际受到的压力范围值如表1中显示，初始外压约束力均为200 kg，SOC为50%的状态下，电池初始约束为充电态时，循环5周的外压力浮动范围为173±118 kg；电池初始约束为放电态时，循环5周的外压力浮动范围为182±109 kg。约束力浮动范围相近，说明在50% SOC状态下，后续电池的实际压力变化仅与电池电压直接相关，与电池约束后进行充电或放电的顺序并无关联。

表1 50% SOC状态下的约束外压力数据Table 1 The constrain external pressure data under the condition of 50% SOC.

图1 50%SOC初始充(a)放(b)电态下对应的外压力曲线图Fig.1 External pressure curve of 50% SOC under initial charge (a) and discharge (b) state.

图2 初始约束SOC状态下循环外压力变化曲线图0% SOC(a)25% SOC(b)50% SOC(c)75% SOC(d)及100% SOC(e)；5个梯度SOC状态下循环外压力曲线对比图(f)Fig.2 The corresponding circulating pressure change curves under initial constraint SOC states of 0% SOC (a) 25% SOC (b) 50% SOC (c) 75% SOC (d) and 100% SOC (e);The comparison curves of external pressure curves under 5 gradient SOC states(f).

3.2 循环约束初始SOC状态对循环外压力的影响

固定初始外压约束力为200 kg，SOC分别设定为0%、25%、50%、75%、100%五个梯度，监控电池外压力的变化，结果如图2所示。同样电池约束力与外压力保持一致。图2f比较了不同SOC下电池压力变化范围，可知当电池约束时SOC越低，电池循环过程受到的实际压力峰值越大。外压力浮动范围列于表2中，初始SOC从低到高对应的压力范围分别为：306±137 kg、253±76 kg、180±110 kg、149±104 kg及91±84 kg。

出现上述现象的原因主要是因为电池在充电过程中锂离子从正极脱出，嵌入负极石墨片层，造成整体电池体积增加，放电过程中体积恢复[4]。因此在0% SOC即放电状态下约束电池，电池在随后的充电过程中不断膨胀，导致约束压力持续上升，高于设定值；相反，在充电状态下约束，当电池放电至低于初始约束时的SOC状态，电池体积降低，因此会出现约束力低于初始设定值的情况发生。考虑到实际情况，从存储运输的稳定性及自放电保持率的角度，以及当前的外压力浮动范围，以50% SOC状态为最佳初始约束状态。此时约束力在设定值上下较为均匀波动，偏差较小。

表2 不同SOC状态下的约束外压力数据Table 2 The constrain external pressure data under different SOC states.

4 结论

本文研究了在不同初始SOC状态，不同约束力大小情况下电池所受的实际压力大小。结论如下：电池处于约束状态下时，随着充放电进行，会导致电池所受约束力的变化，约束力变化与电池电压基本一致，即充电过程中增加，放电过程中降低，对应着电池充放电过程中的膨胀和收缩。电池实际受到的约束力并不等于实验设定值，而是在一定范围内波动变化。电池受约束时所处的SOC决定了电池实际约束力的范围。在放电状态下约束，电池在随后充放电过程中继续膨胀，因此所受的实际压力高于设定约束力，在充电状态下约束电池情况相反，电池实际受力低于设定值。因此在实际应用中，如组装模组时，需要考虑电池所能承受的压力范围，确定组装时的电池状态及预约束力大小，以保证电池在循环过程发挥正常的性能，后续我们也将对电池在不同约束外压力下循环性能的差异进行进一步地研究。