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前 言

鋰離子電池充放電過程中，電極材料膨脹、SEI生長、熱膨脹和產氣等現象可能會引發電池膨脹，從而引起體積變化。電池膨脹被認為是評估電池容量和結構衰退的關鍵指標之一，也是對電池濫用期間發生燃燒和爆炸等嚴重安全事件的一種預警。方形和軟包電池已有成熟的方法來表征其膨脹行為，而圓柱電池由于本身結構的特殊性，尚無成熟、穩定的膨脹表征方法。目前，有一些方法來表征圓柱電池膨脹，例如游標卡尺、三坐標測試儀、壓力膜、應變片、影像分析法(CT斷層掃描、中子成像、X射線、超聲波等)等方法測試，但這些方法存在精度低、無法原位測試等問題，無法準確完整的描述圓柱電池的膨脹行為。

針對上述測試方法的不足，元能科技（廈門）有限公司基于光學的電池成像技術，開發了CCS1300-4圓柱電池原位膨脹測試系統，用于圓柱電池原位膨脹表征。該方法可以原位測試圓柱電池充放電過程中的體積變化，實時重構電池的表面形貌并計算膨脹量，光學檢測精度可以達到±1μm。本文使用CCS1300-4圓柱電池原位膨脹測試系統對負極硅含量不同的兩款21700圓柱電池進行測試，表征兩者在化成和充放電過程中的膨脹行為，分析不同硅含量對電池膨脹行為的影響，指導硅負極應用和圓柱電池設計。

1.實驗設備與測試方法

1.1 實驗設備

本文使用CCS1300-4圓柱電池原位膨脹測試系統進行21700圓柱電池膨脹表征，該設備包含4通道測試夾具及專用測試軟件。搭配充放電儀，可同時對4顆圓柱電池進行原位膨脹測試。

 圖1.CCS1300-4圓柱電池原位膨脹測試系統

1.2 測試原理

如圖2所示，利用基于光學的電池體積成像技術，對電池充放電過程中的表面形貌進行實時三維重構，計算充放電過程中的體積及體積變化量。

 圖2.光學法測試圓柱電池膨脹原理示意圖

1.3 測試方法

將21700圓柱電池外層塑料膜去掉，安裝到設備夾具上，打開軟件，進行充放電通道、采樣角度、警報溫度上限、警報體積上限設置。啟動程序，電池旋轉并進行體積測試，軟件自動將充放電數據與體積測試數據同步。

2.圓柱電池膨脹測試

選取負極硅含量不同的兩款21700 5Ah圓柱電池，測試兩者化成和充放電過程中的體積膨脹。

 表1.兩款21700圓柱電池信息

如圖3所示，負極中硅含量增加，化成過程中體積膨脹顯著增加，且微分容量曲線上嵌鋰對應的峰值會越高，說明硅含量對圓柱電池體積膨脹影響比較大。化成過程中，硅碳負極是導致電池體積膨脹的主要原因，石墨嵌鋰后體積膨脹約10%，硅氧體積膨脹約120%。負極電極的整體體積膨脹是石墨和硅氧兩者膨脹體積的和，當然極片的孔隙和粘結劑能夠容納一定的膨脹體積。因此，硅氧含量越高，電池表現出更大的體積膨脹。

 圖3.S1與S2化成膨脹曲線

對兩款電池進行充放電測試，并對電池充放電過程中的表面形貌進行實時三維重構，得到整個充放電過程中電池表面形貌動態變化圖。如圖4所示，充放電過程中電池體積膨脹顯著，且電池本身體積膨脹存在較大不均勻性。對比S1與S2發現，S2膨脹不均勻性高于S1，這種不均勻性差異應該與兩顆電池內部裸電芯結構有關系。圓柱電池是由正負極片和隔膜以圓柱形方式卷繞的卷芯、焊接在電極上的極耳、絕緣墊、頂蓋和殼體等組裝而成的，電極上的極耳會造成卷芯厚度的不均勻性，各個零部件的結構和狀態等都會造成電池整體體積變化的不均勻性。此外，極片在膨脹和收縮過程中也會造成極片發生褶皺，引起不可逆的體積膨脹，這些極片褶皺引起的體積膨脹也會造成電池體積膨脹的不均勻性。

圖4.S1與S2充放電過程中表面形貌動態變化圖

 圖5.圓柱電池各個部分組成示意圖

3.總結

本文利用CCS1300-4圓柱電池原位膨脹測試系統，測試了兩款負極不同硅含量的21700圓柱電池化成和充放電過程中的膨脹行為。測試發現，硅氧含量對圓柱電池體積膨脹影響非常顯著，且電池本身體積膨脹存在較大不均勻性。通過分析體積膨脹數據和表面形貌動態變化圖，可以為硅負極材料的應用和圓柱電池結構設計提供數據支持，助力鋰離子電池研發及質量管控。

4.參考文獻

1. Wenxuan Jiang, Haoran Li, Sicong Wang, Sa Wang and Wei Wang，Dynamic Volumography of Cylindrical Li-Ion Battery Cells by Watching Its Breath During Cycling，

2. Lubing Wang, Sha Yin, Jun Xu,A detailed computational model for cylindrical lithium-ion batteries under mechanical loading: From cell deformation to short-circuit onset,Journal of Power Sources,2019，413，284-292