許多熟悉棱柱形鋰離子電池結構的人會說它會呼吸。充電和放電會導致內部組件的溫度、電化學和力學變化，進而改變內部壓力。當制造商試圖創造一種高效、輕便且安全的產品時，設計師密切了解這些特性至關重要。

無論是哪個行業、消費電子產品或儲能系統等，用戶都要求更輕、更緊湊、能量密度更高且充電速度更快的電池。在發生災難性事件時，它們也必須是安全的。這些功能通常會發生沖突，找到平衡點并保持成本競爭力可能是一個挑戰。

在考慮電池的材料和結構時，評估壓力動態對于保持材料間距、控制放氣和防止過度膨脹至關重要。

什么是壓力映射？

即使在相對平坦的表面之間，您可能會發現界面壓力分布在峰值壓力的局部區域內通常并不均勻。壓力映射技術可幫助設計工程師深入了解可能影響設計和質量的領域。

如圖 1 所示，壓力映射系統由三個組件組成——傳感器、掃描電子設備和軟件——以其他方法無法提供的方式提供實時、可操作的數據。

圖 1：設計師和工程師使用壓力映射系統（如上圖所示）來測量兩個配合表面之間的界面壓力。

傳感器是一個壓阻傳感點陣列，用于測量傳感區域的壓力分布。傳感器將壓縮壓力負載轉換為阻力的變化。

傳感器通常有大約 2,000 個感應點，但有些傳感器可以設計有超過 16,000 個感應點。

傳感元件間距（間距）可窄至 0.64 毫米（0.025 英寸）。

傳感器可以測量高達 25,000 PSI (172 MPa) 的壓力范圍

高達 200°C (400°F) 的高溫傳感器選項

掃描電子設備從傳感器收集模擬數據并將數據轉換為數字信號。

可用掃描速度高達 20,000 Hz

該軟件顯示傳感器區域的實時活動，允許用戶查看力、壓力、接觸面積和計時數據。

一種由研究支持的測量壓縮堆疊應力的方法

雖然許多制造商在制造過程中努力保持穩定的堆棧結構，但許多制造商并未將堆棧壓力作為其質量程序的一部分進行驗證。此外，許多人沒有量化電池充電和放電時電池組上的內部應力。

在 2013 年普林斯頓大學的一項研究1 中，研究人員發現高堆壓力“對長期電池性能有很大影響，更高的壓力水平會導致更高的容量衰減率。” 當陽極和陰極分離時，顯著的內部壓力會導致塑性變形、分層和內部阻抗增加。雖然較低的堆棧壓力提供了更好的長期性能，但當壓力過低時仍可能發生分層。

尋找住房壓力的“甜蜜點”成為一項挑戰。稱重傳感器夾具可以表征電池組件上的平均壓力。雖然這項研究成功地測量了循環測試中的平均壓力，但壓力映射技術為工程師提供了一個機會，可以更深入地了解該應用并識別特定的壓力區域。

一種測量電池組應力的新模型

薄而靈活的傳感元件陣列提供了幾乎任何兩個表面之間不同壓力的綜合數據。如圖 2 所示，在電池充電/放電循環測試的情況下，可以將 0.01 毫米厚的傳感器包裹在電池周圍以提供 360o 視圖。

圖 2：該模型展示了電池設計人員如何使用壓力映射技術來測量鋰離子電池充電和放電時產生的壓力。薄而靈活的傳感器幾乎可以安裝在任何固定裝置或電池類型之間。

通過壓力映射，研究人員和電池設計人員可以獲得豐富的評估工具，并深入了解不同使用參數對其設計的影響。這些研究幫助設計師找到了滿足他們需求的正確材料和最佳結構，從而產生了具有可重復結果的更好設計。

壓力映射已被用于評估數千次充電和放電循環期間的壓力分布的多月研究——可應用于評估電池外殼材料的原則。

圖 3 顯示了來自長期電池充電/放電循環測試的 5 小時段的數據。基于這些短期結果，在充電和放電過程中會發生明顯的界面壓力動態，包括電池上在充電過程中顯示出過大壓力的特定區域。?

圖 3：五小時充電/放電循環測試示例。頂部的兩張圖片顯示了放置在夾具中的電池，而屏幕截圖顯示了壓力輸出。

該技術還被用于評估外殼設計或在沖擊測試中識別電池上的脆弱位置。

在嘗試優化本文中描述的特性時，設計人員永遠不應損害其產品的安全性。充電期間溫度升高導致鋰化，從而導致放氣。電池中額外氣體的內部壓力會導致外殼或隔板失效，從而導致熱失控反應。

壓力映射技術成為幫助工程師識別棱柱形電池幾乎任何位置的局部壓力區域的重要方法，從而導致更好的設計決策和更持久的技術。

審核編輯 黃昊宇