鋰離子電池在發(fā)生冒煙,、燃燒甚至爆炸之前，其殼體會(huì)發(fā)生明顯的膨脹形變,，使得鋰離子電池之間的壓力明顯變化,，其膨脹比氣體溢出發(fā)生得更早。鋰電池的膨脹力指的是電池在充放電過(guò)程中膨脹的程度,。導(dǎo)致鋰離子電池膨脹的原因主要有：電極材料的 “體積魔術(shù)”鋰電池在充電過(guò)程中,，鋰離子會(huì)從正極材料中脫嵌，然后嵌入到負(fù)極材料中,。對(duì)于常見(jiàn)的石墨負(fù)極,，鋰離子的嵌入會(huì)使其晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致石墨層間距增大,，從而使得負(fù)極材料的體積膨脹,。就好像石墨晶格是一個(gè)個(gè)緊密排列的小房間，鋰離子如同一個(gè)個(gè)房客入住,，使得房間被撐開(kāi),，整體體積變大,。而在放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極脫出回到正極,，負(fù)極材料的體積則會(huì)相應(yīng)收縮,，就像房客退房后，房間又恢復(fù)了一些原本的空間,。而且,，電極材料在長(zhǎng)期的充放電循環(huán)過(guò)程中，其微觀結(jié)構(gòu)可能會(huì)逐漸發(fā)生劣化,，比如顆粒的團(tuán)聚,、裂紋的產(chǎn)生等，這也會(huì)影響其體積變化特性,，進(jìn)而對(duì)膨脹力產(chǎn)生影響,。此外，當(dāng)電池處于高溫環(huán)境或者進(jìn)行快速充放電時(shí),，電極材料的反應(yīng)速率加快,，這種體積變化會(huì)更加劇烈，膨脹力也會(huì)隨之增大,。SEI 膜的 “雙重影響”SEI 膜,，即固體電解質(zhì)界面膜，它的形成過(guò)程對(duì)電池膨脹力有著不可忽視的作用,。在鋰電池首次充電時(shí),，負(fù)極材料表面會(huì)與電解液發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，從而形成一層 SEI 膜,。這個(gè)過(guò)程會(huì)消耗部分鋰離子和電解液中的溶劑,，這不僅導(dǎo)致了電池的不可逆容量損失，還會(huì)因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體,，使得電池內(nèi)部的氣壓增加,，進(jìn)而對(duì)膨脹力產(chǎn)生影響。在后續(xù)的充放電循環(huán)中,，SEI 膜會(huì)不斷地生長(zhǎng)和修復(fù),。當(dāng)負(fù)極材料因鋰離子的嵌入和脫出而發(fā)生體積變化時(shí)，SEI 膜可能會(huì)受到破壞,，為了維持其完整性,，會(huì)再次發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行修復(fù)，這又會(huì)進(jìn)一步消耗鋰離子和產(chǎn)生氣體,，使得膨脹力持續(xù)變化,。而且，SEI 膜的厚度和致密性也會(huì)影響鋰離子在電極材料中的嵌入和脫出速率,，間接影響電極材料的體積變化,，從而對(duì)膨脹力產(chǎn)生復(fù)雜的影響,。例如，如果 SEI 膜過(guò)厚或者不夠致密,，鋰離子的傳輸受阻,，可能會(huì)導(dǎo)致電極材料局部鋰離子濃度不均勻，引起不均勻的體積膨脹,，產(chǎn)生不均勻的膨脹力,，這對(duì)電池的性能和安全性都是不利的。膨脹力的 “蝴蝶效應(yīng)”電芯內(nèi)部的 “壓力危機(jī)”隨著鋰電池的充放電循環(huán),，電芯內(nèi)部的膨脹力逐漸增大,，這無(wú)疑給電池的性能和壽命帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。當(dāng)膨脹力達(dá)到一定程度時(shí),，會(huì)使得電極材料中的顆粒之間的結(jié)合力減弱,，從而導(dǎo)致電極顆粒脫落。這些脫落的顆?？赡軙?huì)在電池內(nèi)部四處游離,，不僅會(huì)阻礙鋰離子的正常傳輸，降低電池的充放電效率,，還可能會(huì)引發(fā)局部的短路現(xiàn)象,，嚴(yán)重威脅電池的安全性。而且,，膨脹力還會(huì)對(duì)隔膜造成損害,。隔膜作為電池正負(fù)極之間的關(guān)鍵隔離層，其完整性對(duì)于防止電池短路至關(guān)重要,。過(guò)大的膨脹力可能會(huì)使隔膜出現(xiàn)破裂、穿孔等情況,，一旦隔膜受損,，正負(fù)極直接接觸的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)大大增加，內(nèi)短路的可能性也會(huì)隨之上升,，這極有可能引發(fā)電池的熱失控,，最終導(dǎo)致起火爆炸等嚴(yán)重后果。此外,，膨脹力引起的電芯內(nèi)部壓力增大,，還會(huì)加速電池內(nèi)部的副反應(yīng)，例如促使電解液的分解,，產(chǎn)生更多的氣體,，進(jìn)一步增加電芯內(nèi)部的壓力，形成一個(gè)惡性循環(huán),，使得電池的性能和壽命迅速衰減,。模組結(jié)構(gòu)的 “變形挑戰(zhàn)”在模組層面,，電芯的膨脹力會(huì)使模組發(fā)生形變和位移，進(jìn)而對(duì)整個(gè)電池組的性能和安全性產(chǎn)生不利影響,。由于電芯在膨脹過(guò)程中會(huì)對(duì)模組的框架和連接部件施加壓力,，導(dǎo)致模組的尺寸發(fā)生變化，出現(xiàn)尺寸超差的問(wèn)題,。這可能會(huì)影響電池組在設(shè)備中的安裝和固定,，使其無(wú)法正常工作。而且,，膨脹力還可能導(dǎo)致模組內(nèi)部的連接部件松動(dòng),，如電芯之間的連接片、模組與外部電路的連接插頭等,。連接部件的松動(dòng)會(huì)增加接觸電阻,，使得電池在充放電過(guò)程中產(chǎn)生更多的熱量，不僅會(huì)降低電池的能量轉(zhuǎn)換效率,，還可能會(huì)引發(fā)局部過(guò)熱,，損壞電池組件，甚至引發(fā)火災(zāi),。此外,，模組的形變還可能會(huì)對(duì)電池管理系統(tǒng)（BMS）的監(jiān)測(cè)和控制產(chǎn)生干擾。BMS 通常依賴于傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)電池的電壓,、電流和溫度等參數(shù),，模組的變形可能會(huì)使傳感器的位置發(fā)生偏移，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,，從而影響 BMS 對(duì)電池組的充放電控制和安全保護(hù)功能,，進(jìn)一步增加了電池組的安全隱患。仿真對(duì)于縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期,，提高開(kāi)發(fā)效率和質(zhì)量具有重要意義,，這在電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段起著非常重要的作用。對(duì)不同數(shù)量的電極片和模塊的膨脹力電池特性的研究表明,，膨脹力不僅影響電池的容量,，而且影響模塊的結(jié)構(gòu)安全性。先前的研究表明,，電池的膨脹力將隨著容量的減小而增加,，這可以指導(dǎo)模塊的設(shè)計(jì)。因此,，電池的膨脹力可能在將電池組裝成模塊后,，例如端板和側(cè)板，對(duì)模塊的其他結(jié)構(gòu)部件造成一定的損壞。為確保模塊的結(jié)構(gòu)在整個(gè)生命周期中不會(huì)因電池膨脹而損壞,，研究模塊中電池膨脹所產(chǎn)生的膨脹力尤為重要,。本文基于先前的膨脹力數(shù)據(jù)，通過(guò)仿真來(lái)評(píng)估模塊設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求,。主要評(píng)估模塊的端板,，側(cè)板和端側(cè)板焊縫的強(qiáng)度是否可以承受模塊的膨脹力。在S40_1P6S和S60_1P4S模塊上進(jìn)行了膨脹力模擬,，并評(píng)估了由于模塊膨脹而導(dǎo)致的端板,，側(cè)板和端側(cè)板焊接處的應(yīng)力。比較了模塊設(shè)計(jì)的強(qiáng)度失效閾值,，以評(píng)估設(shè)計(jì)的強(qiáng)度值是否可以承受生命周期內(nèi)模塊中所有電池的膨脹,。
圖5. 模塊膨脹力仿真：(a?c) S40_1P6S模塊仿真，(d?f) S60_1P4S模塊仿真,。電池資料
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