锂离子电池在充放电过程中，由于正负极的结构膨胀和电解液分解产气会造成电芯的膨胀，当电池的束缚边界不同时，电芯膨胀的表现形式也不同。电芯表面施加的应力一定时，电芯表现出厚度的变化，而当电芯的初始厚度控制不变时，电芯则表现出应力的变化。通常在测试电芯的膨胀行为时，需要控制不同的边界条件，得到电芯膨胀厚度或者膨胀力的变化，但不同的控制参数会显著影响测得的膨胀数据，元能科技推出的原位膨胀测试系统SWE系列，如图1，可原位表征电芯的膨胀行为，如何进行不同测量模式下的参数设置，对得到准确可靠的膨胀数据是非常重要的。

图1.元能科技原位膨胀测试系统SWE系列

SWE系列表征电芯的膨胀行为时有两种测量模式：恒压力和恒间隙。下面分别对这两种模式进行参数设置的说明。

1.恒压力模式

在恒压力模式下，对电芯表面施加的压力是恒定的，通过高精度的压力调控系统实时保持电芯充放电过程中的压力，同时采集厚度变化曲线，如图2所示。该模式通常应用于对比不同材料的膨胀行为差异，例如不同硅碳材料的膨胀厚度对比。压力参数的设置是与电芯的长宽面积有关的，一般情况下，随着施加压力的增大，电芯受到的纵向压力也越来越大，测到的充放电过程的膨胀厚度越来越小，如图3所示，但压力过大时，会导致电芯充放电的极化过大，影响电芯性能，因此需要选择合理的施加压力。通常，行业内人员会选择0.2MPa的压强来表征电芯的原位膨胀厚度。该模式测试前对电芯的SOC状态无要求，分析时重点以满充满放的厚度差值来比较。

图2.恒压力与厚度变化示意图

图3.不同压强条件下的原位膨胀厚度曲线

2.恒间隙模式

在恒间隙模式下，会对电芯先施加一个初始预紧力，通过高精度的位移调控系统保持该预紧力条件对应的电芯间隙不变，实时采集电芯充放电过程中的压力变化曲线，如图4所示。该模式通常应用在电芯/模组/Pack设计或仿真部门，通过对比不同初始预紧力条件，控制电芯的间隙不同，进而分析束缚边界材料的刚度，例如对比不同模组壳体或者不同缓冲棉的差异。预紧力参数的设置影响了电芯的初始间隙，预紧力越大，电芯对应的间隙越小，则后续充放电过程中测到的膨胀力越大，但当预紧力达到一定程度时，电芯的膨胀力变化会相对平稳，若继续加大预紧力，对应的电芯间隙更小时，会增大电芯充放电的极化，影响电芯性能，因此需要选择合理的预紧力以保证合适的电芯间隙，通常，行业内人员会选择0.2MPa的压强作为预紧力来表征电芯的原位膨胀力。另外，电芯的初始SOC状态不同，会影响电芯的间隙控制量，例如相同预紧力条件下，0%SOC的电芯间隙要小于100%SOC的电芯间隙，且这两种状态下测到的满充满放的膨胀力差值也会不同，因此我们在表征膨胀力时尽量保持电芯的初始SOC状态一致，通常会选择满放态的电芯进行测试。

图4.恒间隙与膨胀力变化示意图

图5.不同预紧力对应的恒间隙时的膨胀力变化示意图

总结

在表征电芯的膨胀性能时，恒压力和恒间隙模式有不同的应用场景和测试参数。通常，材料评估时，优先会选择恒压力模式表征电芯膨胀厚度，此时对电芯的初始SOC无特殊要求，而在电芯设计时，更偏向选择恒间隙模式表征电芯膨胀力，此时电芯初始SOC会较大影响后续测试结果，可选择满放态的电芯进行测试。另外对于初始预紧力的设置，行业内更多会使用0.2MPa的压强施加在电芯表面作为恒压力或者恒间隙的初始条件。

参考文献

1.李林阳，何帆，吕希祥.锂电池模组膨胀位移分析方法[J].电源技术, 2023, 47(5): 632-634.

2.梁浩斌, 杜建华, 郝鑫, 等. 锂电池膨胀形成机制研究现状[J].储能科学与技术, 2021, 10(2): 647-657.

3.MARTIN W, JORG K, DIRK U S. Investigation of the influence of different bracing of automotive pouch cells on cyclic lifetime and impedance spectra[J]. Journal of Energy Storage, 2019, 21:149-155.