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1. 摘要

在未來市場的角逐中，大圓柱電池核心優勢聚焦于高安全性、卓越的高倍率充放電能力、頂尖的能量密度以及高性價比。其堅固的結構設計賦予了極高的結構剛性，這一特性曾普遍被視為在電池充放電循環中體積保持穩定的保證。然而，深入探究之下，我們不禁要問：大圓柱電池真的能做到體積紋絲不動嗎？

通過精密原位測試，我們揭示了真相：以21700型號的小圓柱電池（采用三元材料體系，容量4.2Ah）為例，在0.5C的充放電速率下，其前三圈循環中的最大體積變化率僅為0.013%，幾乎可以忽略不計。但當我們轉向容量更大、達到33Ah的4695型號大圓柱電池（同樣基于三元體系，以0.1C速率充放）時，情況有所不同——其體積變化率顯著提升至0.22%，更為重要的是，這一體積變化與電池電壓曲線的波動趨勢緊密相隨，呈現出高度的一致性。

這一發現不僅揭示了大圓柱電池在體積穩定性上的微妙變化，更凸顯了這種變化與電池性能之間的微妙聯系。尤為引人注目的是，大圓柱電池在體積變化量上遠超小圓柱電池，差距之大，竟超過十倍之多，這一顯著差異對于電池設計、安全性能評估及長期使用穩定性等方面，都提出了新的挑戰與考量。

綜上所述，大圓柱電池雖以其諸多優勢引領行業潮流，但在追求極致性能的同時，其體積變化的特性亦不容忽視，特別是在設計優化、安全管控及性能預測等方面，需給予更為細致的關注與研究。

關鍵詞：#圓柱膨脹#，#圓柱體積變化#，#圓柱電池原位測試#，#充放電#

2. 應用案例

大圓柱電池，如特斯拉的4680電池，在安全性、壽命、續航里程、性價比和快充等方面均具備顯著優勢。

電池在循環過程中體積會顯著增加，固體-電解質界面（SEI）的形成和生長、熱膨脹以及氣體的產生，這些因素會導致電池體積膨脹。這種體積膨脹不僅在電池不同部件之間增加了內部應力，而且在電池組中的相鄰電池之間也引入了壓力。此外，電池經歷的連續膨脹和收縮循環還增加了機械故障的風險。因此，體積膨脹是評估電池在長期使用過程中結構和容量衰減的一個關鍵指標。為了更深入地了解大圓柱電池的膨脹與收縮特性，對4695型號電池與21700電池對比測試，從而更準確地評估大圓柱電池的體積變化特性以及其對電池使用壽命的影響。設備測試過程如下：電池由成像系統進行成像，經軟件處理輸出體積變化率與電壓關系變化曲線（圖1）。

圖1：測試過程

電池樣品信息：

實驗平臺：IEST元能科技-CCS1300（圓柱電池原位膨脹測試系統）

測試條件：溫度：25度

3. 結果與討論

在電池測試或任何需要精確控制溫度的實驗環境中，確保溫度均勻性是非常關鍵的。當前測試溫度各通道溫差均在25±1℃（圖2）波動范圍內，滿足溫度條件。

圖2：溫度測試曲線

圓柱電池（無論是21700型號還是4695型號）在充放電過程中確實會發生一定的體積變化，這是電池工作時的正常現象。然而，值得注意的是，4695圓柱電池的最大體積膨脹量（0.22%，圖3）顯著高于21700圓柱電池（0.013%，圖4），達到了后者的10倍以上。

這種體積膨脹量的差異可能由以下幾個因素造成：

電池容量和結構設計：與軟包電池的柔性鋁塑膜外殼不同，圓柱形電池的剛性金屬外殼阻礙了內部膨脹產生的應力的釋放。金屬外殼和內部卷芯之間的非均勻接觸會導致微小的空隙，從而導致不均勻的應力分布，如圖5所示。4695圓柱電池相比21700電池具有更大的容量和更復雜的結構設計。更大的容量意味著卷芯卷繞了更多的層數，這可能導致電池的體積變化更加不均勻，電池內部應力更大，從而導致電池金屬外殼更顯著的變形。同時，更復雜的結構設計可能使得電池在應對體積變化時的彈性或緩沖能力較弱，從而加劇了體積膨脹的現象。

材料特性：不同型號的圓柱電池可能采用了不同的電極材料和電解液配方。這些材料在充放電過程中的膨脹和收縮特性可能有所不同，從而導致電池整體的體積變化量存在差異。此外，電池金屬外殼的厚度和強度等特性也會顯著影響電池整體的變形，更厚強度更高的金屬殼能夠承受更大的應力，產生更小的變形量。

制造工藝：電池的制造工藝也會影響其體積穩定性。例如，電極的涂布均勻性、卷繞或疊片的緊密度、以及電池殼體的密封性等，都可能對電池的體積變化產生影響。特別是電芯內部的裝配松緊度（卷芯與殼體之間預留的空隙尺寸），當預留空間更大時，電池內部能夠收納更大的卷芯形變，作用在外殼上的力更小，電池變形更小。

測試條件：雖然溫度各通道溫差在可控范圍內，但其他測試條件（如充放電速率、充放電深度、循環次數等）也可能對電池的體積變化產生影響。

圖3：21700體積&電壓變化曲線

圖4：4695體積&電壓變化曲線

圖5：圓柱形電池的體積變化的機制示意圖

在圓柱電池降本和延壽過程中，殼體材料選擇、殼體厚度及設計強度、裸電芯與殼體間隙設計以及不同充放電倍率下的膨脹量差異都是關鍵因素。通過合理的設計和優化以及全面的檢測方法，可以確保圓柱電池的性能和安全性得到有效提升。

4. 總結

總之，圓柱電池在充放電過程中的體積變化是一個復雜的現象，需要綜合考慮多種因素來進行分析和優化。通過不斷的研究和改進，期待未來出現更加穩定、安全和高性能的圓柱電池產品。

5. 參考文獻

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，CCS Chemistry. 2023;5:1308–1317