1、引言
锂离子电池的循环跳水、失效,通常不只是电化学问题,其伴随的材料颗粒碎裂、极片脱粘、电芯鼓包、循环跳水等与材料及电芯的力学行为密不可分。
随着动力电池、储能电池向着更高能量密度、更长循环寿命方向突破,大家多聚焦于材料比容量、电压平台、离子电导率等电化学指标,却常常忽略力学因素对电池全生命周期的重大影响。活性颗粒破碎、粘结剂失效脱粘、充放电诱发扩散应力、极片界面剥离、电芯膨胀鼓包…… 这些力学层面的破坏,会直接诱发内阻飙升、容量快速衰减,甚至带来安全隐患。
大量顶刊研究统计表明,近年来锂电领域,材料力学、电芯力学方向的科研占比已经接近 50%,力学性能评估正在从辅助测试,走向研发核心环节。

图1.锂离子电池失效机制分析
当前锂电力学评估主要分为两大层级即粉体材料层级与电芯层级,二者互为印证,从微观颗粒到整只电池完成全链条解析,如表1为不同层级力学分析研究的重点。
表1. 材料 & 电芯力学双维度研究对比表

2、材料层级:解析颗粒&粉体力学性能,为电芯循环性能奠定基础
粉体活性材料是电池的根基。一颗颗粒被反复挤压、锂脱嵌循环后会不会开裂粉化,直接决定极片与电芯的命运。
单颗粒力学性能测试,就是把微米级的正极、负极颗粒放在探针下完成压溃评估,采集力-位移曲线,获取颗粒压溃力、抗压强度。如图2以 NFMCT 为例,明确独特的形貌和混相的互锁作用赋予了材料多阶段破碎特征,增强了机械结合能,防止了材料在应力下直接发生结构崩溃,最终得到了电性能优异的正极材料。硅碳、高镍三元、硬碳、富锂材料都可以通过这套测试快速评估筛选。

图3.改性正极材料单颗粒力学性能及电性能评估
单颗粒看的是个体颗粒本征强度,而粉体压实压缩测试,则模拟辊压工艺下大量颗粒堆积行为。在加压-卸压循环中,获取压实密度、压缩回弹、形变特征,对标工厂极片辊压工序。将单颗粒本征力学 与粉体整体压实回弹结合,就能为粉体阶段预判辊压工艺风险提供一种思路,避免材料到极片、电芯阶段才暴露出开裂掉粉问题,极大节约研发时间成本。对于固态电池的发展,硫化物、氧化物固态电解质,也需要在不同受压条件同步采集电导率,建立 “压力 形变 离子导电” 关联,适配固态电池开发需求。如图为单颗粒力学与粉体力学的对比,进一步明确其层级关联性。

图4.单颗粒力学与粉体力学关联性探究
3、电芯层级:揭秘电芯力学行为规律,保障电池生命周期安全
粉体性能再好,组装成为电芯之后,卷绕、叠片约束、充放电锂嵌入脱出,又会产生全新的力学问题。锂离子电池的实际应用中及研发工作中,电芯膨胀力学研究是关键,夹紧力设计、CTP/CTC 结构适配,都离不开电芯层级力学数据。如果忽视膨胀力,循环中后期极易出现极片析锂、鼓包、掉料、内短路风险。
以石墨负极为例,锂嵌入生成 LiC₆,会带来约10%本征体积膨胀。电芯内部,膨胀不是自由发生,会受到壳体、夹具、卷芯的约束,从而产生巨大的内部膨胀力。膨胀分为可逆膨胀(伴随充放电SOC变化)和不可逆膨胀(随老化SOH累积产生)。如图5为石墨嵌锂模型与膨胀机理示意图。

图5.石墨嵌锂模型与膨胀机理
当前行业内多通过原位膨胀分析系统模拟不同约束边界条件,同步记录电芯充放电全过程的膨胀厚度、膨胀力、压缩模量。大量实验证实,电芯不可逆膨胀力和电池健康状态SOH存在明确对应关系。老化后的卷芯应力-应变曲线发生偏移,这也为电池寿命预测提供了力学维度的模型支撑。如图6为电芯膨胀测试原理及研究案例。

图6.电芯膨胀测试原理及研究案例
4、 小结
当下“电化学-力学耦合”已经成为行业共识。从微米单颗粒破碎行为,到粉体受压回弹,再到整只电芯充放电膨胀应力,一套完整的力学性能评估解决方案,帮助研发人员提前识别失效风险,指导材料改性、辊压工艺优化、PACK 夹紧力设计,为高能量密度、长寿命电池落地保驾护航。

图7.锂电材料与电芯力学行业需求展望
5、 参考文献
[1] Wenhao Qiu, Mingjie Dong, et al. Synergistic inducting P2/O3 mixed phase by thermal diffusion regulation and high-entropy strategy for high performance layered cathode, Chemical Engineering Journal, 2026, 534, 175314.
[2] Niu Z, Sun Z, Zhang S, et al. Model development for predicting irreversible swelling of aged lithium iron phosphate/graphite pouch cells under different pressures and temperatures[J]. Journal of Power Sources, 2025, 641.
[3]Lyder H A, Lisa D, Uttam M, et al.Strategies for the Analysis of Graphite Electrode Function[J]. Advanced Energy Materials,2021,11(48).
219
0- 1四方仪器氧分析仪 Gasboard-3053
- 2X16E 中文样本
- 3四方仪器 煤气分析仪(在线型)Gasboard-3100
- 4可靠的数据中心冷却测量解决方案
- 5安东帕Brabender标准面粉粘度计Amylograph-E产品册
- 6C403M氧气/水蒸气透过率测试系统 多功能透氧透湿仪 产品资料
- 7C401H氧气/水蒸气透过率测试系统 透氧透湿一体机 产品资料
- 8四方仪器天然气热值分析仪 Gasboard-3520
- nitto kohki AC0910空气压缩机性能简介
- 日本KAIJO 19001D超声波声压计工作原理与应用价值
- NDK NFX-1000A 高精度数字磁通计|精密磁元件出厂定级与稳定性检测设备
- 无限稀释条件下反气相色谱法对微晶纤维素的吸附热研究
- 环保型石灰消化器:除尘和污水那点事儿,一次说透
- 软质材料专用检测|RHEOTECH RTC-3002D高精度质构仪 科研品控通用
- 石灰消化器反应温度控制与消化率提升技巧
- 石灰消化器在电厂脱硫及废水处理中的应用
- 日本LUCEO LSM-9002S全自动光学应变测试仪 材料力学精密检测设备
- 奥法美嘉复杂制剂应用专题 | 高压微射流均质次数对脂肪乳注射液粒径分布及稳定性的影响研究
- SUZUMO铃茂全自动饭团机 省人工SSN-JLX
- SEM SELN-131BM高精度电子水平仪性能优势及行业应用
- 从“作用”到“场域”:粉碎技术的范式演进与柯立微能量场理论的构建
- 大明化学氧化铝粉在低温烧结制粉中的应用
- Development, Characterization, and Molecular Dynamics Simulation of Andrographolide Nanosuspensions Utilizing Hummer Acoustic Resonance Technology
- 苏州碳丰科技首席科学家程金生老师以本公司名义在国际上发表关于石墨烯纤维的论文《石墨烯纤维纳米复合材料的合成及氨基酸检测的分析应用》:

