01背景

在鋰離子電池循環過程中會產生內壓，影響電池的內阻、界面及鋰離子沉積模式[1–3]。同時，鋰電池在裝配和工作時會被施加外力。壓力能夠通過界面作用影響鋰電池的各項性能[4–6]。電池壓力的產生是非常復雜的，壓力的產生可分為內因和外因。內因主要是鋰離子的脫嵌過程和電池內部副反應造成的體積變化；外因主要包括電池裝配過程中，如熱壓過程，由機械施壓導致的壓力，以及使用過程中，由于受到外部壓力作用，進而轉換為內壓等[7–9]。

02壓力的影響、建模和作用

2.1壓力對電池性能的影響

壓力對電池性能的影響具有兩面性：適當的壓力能夠保證電池各部分組件緊密接觸，防止電極界面接觸不良，進而改善鋰離子的沉積模式，提升電池的循環穩定性，還可以通過降低電池的內阻和極化[10–12]。壓力不足，在電池多次循環后容易導致電極-電解質界面脫離接觸，電池容量迅速衰減，嚴重影響電池壽命。壓力過大，會造成界面惡化，電池的電阻倍增，電池容量迅速衰減，嚴重時會破壞電池的結構，造成電池失控。體積膨脹伴隨內壓的不斷波動，不僅會造成電池極片的龜裂、脫落，鋰枝晶及死鋰的惡性生長，嚴重影響電池的循環性能，而且體積變化會破壞電池結構，造成電池鼓包、破裂等嚴重后果[13–15]。

2.2壓力的建模

針對電池的壓力建模一般需要建立電力雙場耦合或電熱力三場耦合的模型[13]。在耦合方式上，由于三場模型中均包含大量的常微分方程、偏微分方程以及自變量和因變量，因此實現三場的完全雙向耦合存在較大的困難，目前在三場耦合建模方面都是采用單向和雙向耦合相結合的方式；在模型尺度上，三場模型一般不在同一尺度下進行，這是由于不同模型所解決的實際問題不同，電化學模型一般描述顆粒或電極尺度下的電化學過程，力模型以擴散誘導應力和熱應力來區分可在不同尺度下建模，而熱模型一般在電極或電芯尺度上建模，因此三場耦合建模也遵循不同模型的尺度應用場景；在模型維度上，為了進行簡化，部分子模型可能采用零維或集總模型。

圖1電池多物理場建模耦合方式[13]

電熱力耦合模型主要用于研究電池力學特性，一般可分為兩類：一是與內部應力產生有關的電化學-熱行為，該類模型主要是強調電池內部擴散-誘導應力和熱應力的產生及其引起的電池衰退行為；二是考慮外部機械加載導致的電池動態過程，該類模型主要考慮外部機械加載導致的內短路、熱失控、壽命衰減等過程。

2.3基于壓力信號的電池狀態解析

壓力信號可用于解析電池SOC。電池在充放電過程中存在呼吸效應，即電池隨著電池SOC的變化而產生膨脹和收縮，進而使得電池壓力產生周期的變化。在正常充電階段，電池表面機械壓力逐漸增大，在正常放電階段，電池表面機械壓力是一個逐漸恢復的過程。西安交通大學的JIANG等提出了一個充分考慮堆疊力的等效力學模型，首先測量堆疊壓力，然后通過模型預測電池的厚度，從而估計電池的荷電狀態。同濟大學的DAI等基于靜態應力與SOC之間的關系以及動態應力建模，建立了SOC的估算方法，估計誤差小于4%。實驗裝置如下圖所示。

圖2電池壓力測試裝置示意圖[16]

壓力信號可用于解析電池SOH。隨著電池的循環使用，電池受到的壓強隨著電池循環次數增加而不斷變化，并且在前中期一直處于緩緩上升階段。這說明隨著電池的充放電循環，電池的不可逆膨脹也越來越明顯，電池受到的壓力越來越大。一般負極石墨端在充放電循環的過程中，Li+在石墨層之間脫嵌會打破石墨層之間的力學平衡，造成原子之間的斥力增加，因此石墨端會發生膨脹。同時，電池受到的壓強變化主要集中在前中期循環，之后的循環壓強則穩定在一定的范圍內，這也說明電池內部的不可逆膨脹主要發生在電池壽命的前中期，電池壽命后期內部膨脹和壓強變化則相對穩定。電池的不可逆膨脹是較為長期緩慢的過程。電池生命周期中，電池負極膨脹相較于正極更加明顯，負極膨脹是電池膨脹的主要原因。利用電池壽命隨電池壓力的變化可以解析電池的SOH。

壓力信號可用于電池安全預警。在鋰離子電池在熱失控過程中，會出現電池鼓包、膨脹等不可逆機械形變現象，其中主要的原因有電池的電解液蒸汽氣化和副反應產氣等；電池熱失控過程中，副反應產氣會導致電池發生形變；形變又會影響電池內部的氣體擴散，機械信號和氣體信號存在相應的耦合機制。感知電池安全演化過程中力學信號，并耦合氣體信號來監測電池熱失控的超早期特征，成為電池安全監控狀態監測及熱失控預警的重要方法。目前電池安全狀態估計和預測主要依賴電熱信號，很多研究表明，相對于電熱信號，壓力信號在電池安全預警方面更具潛力。Pannala等人通過短路觸發電池熱失控實驗測試了力傳感器在電池失效過程中的信號響應，力學信號顯著上升行為明顯早于電壓信號顯著下降行為，即使是位于內短路觸發器頂部的薄膜測溫片的溫度響應也比力學信號響應慢。研究表明：力學信號可以與電、熱信號融合，以期更加可靠地實現電池安全預警。下圖展示了熱安全事故發生時電池電熱力信號的變化過程實驗數據[17]。

圖3電池熱安全事故信號變化[17]

03結論

力可直接影響電池的安全和壽命等關鍵性能指標；基于力的建模主要考慮擴散誘導應力、熱應力和外部機械加載應力，并常在電熱力三場耦合下進行，建立的模型可用于研究電池的安全和壽命演化過程和機理并用于電池優化設計；力信號隱含了電池SOC、SOH、安全狀態等信息，結合電池的電熱信號，可進一步提高對電池狀態的解析能力。

審核編輯：湯梓紅