前 言

锂离子电池充放电过程中，电极材料膨胀、SEI生长、热膨胀和产气等现象可能会引发电池膨胀，从而引起体积变化。电池膨胀被认为是评估电池容量和结构衰退的关键指标之一，也是对电池滥用期间发生燃烧和爆炸等严重安全事件的一种预警。方形和软包电池已有成熟的方法来表征其膨胀行为，而圆柱电池由于本身结构的特殊性，尚无成熟、稳定的膨胀表征方法。目前，有一些方法来表征圆柱电池膨胀，例如游标卡尺、三坐标测试仪、压力膜、应变片、影像分析法(CT断层扫描、中子成像、X射线、超声波等)等方法测试，但这些方法存在精度低、无法原位测试等问题，无法准确完整的描述圆柱电池的膨胀行为。

针对上述测试方法的不足，元能科技（厦门）有限公司基于光学的电池成像技术，开发了CCS1300-4圆柱电池原位膨胀测试系统，用于圆柱电池原位膨胀表征。该方法可以原位测试圆柱电池充放电过程中的体积变化，实时重构电池的表面形貌并计算膨胀量，光学检测精度可以达到±1μm。本文使用CCS1300-4圆柱电池原位膨胀测试系统对负极硅含量不同的两款21700圆柱电池进行测试，表征两者在化成和充放电过程中的膨胀行为，分析不同硅含量对电池膨胀行为的影响，指导硅负极应用和圆柱电池设计。

1.实验设备与测试方法

1.1 实验设备

本文使用CCS1300-4圆柱电池原位膨胀测试系统进行21700圆柱电池膨胀表征，该设备包含4通道测试夹具及专用测试软件。搭配充放电仪，可同时对4颗圆柱电池进行原位膨胀测试。

 图1.CCS1300-4圆柱电池原位膨胀测试系统

1.2 测试原理

如图2所示，利用基于光学的电池体积成像技术，对电池充放电过程中的表面形貌进行实时三维重构，计算充放电过程中的体积及体积变化量。

 图2.光学法测试圆柱电池膨胀原理示意图

1.3 测试方法

将21700圆柱电池外层塑料膜去掉，安装到设备夹具上，打开软件，进行充放电通道、采样角度、警报温度上限、警报体积上限设置。启动程序，电池旋转并进行体积测试，软件自动将充放电数据与体积测试数据同步。

2.圆柱电池膨胀测试

选取负极硅含量不同的两款21700 5Ah圆柱电池，测试两者化成和充放电过程中的体积膨胀。

 表1.两款21700圆柱电池信息

如图3所示，负极中硅含量增加，化成过程中体积膨胀显著增加，且微分容量曲线上嵌锂对应的峰值会越高，说明硅含量对圆柱电池体积膨胀影响比较大。化成过程中，硅碳负极是导致电池体积膨胀的主要原因，石墨嵌锂后体积膨胀约10%，硅氧体积膨胀约120%。负极电极的整体体积膨胀是石墨和硅氧两者膨胀体积的和，当然极片的孔隙和粘结剂能够容纳一定的膨胀体积。因此，硅氧含量越高，电池表现出更大的体积膨胀。

 图3.S1与S2化成膨胀曲线

对两款电池进行充放电测试，并对电池充放电过程中的表面形貌进行实时三维重构，得到整个充放电过程中电池表面形貌动态变化图。如图4所示，充放电过程中电池体积膨胀显著，且电池本身体积膨胀存在较大不均匀性。对比S1与S2发现，S2膨胀不均匀性高于S1，这种不均匀性差异应该与两颗电池内部裸电芯结构有关系。圆柱电池是由正负极片和隔膜以圆柱形方式卷绕的卷芯、焊接在电极上的极耳、绝缘垫、顶盖和壳体等组装而成的，电极上的极耳会造成卷芯厚度的不均匀性，各个零部件的结构和状态等都会造成电池整体体积变化的不均匀性。此外，极片在膨胀和收缩过程中也会造成极片发生褶皱，引起不可逆的体积膨胀，这些极片褶皱引起的体积膨胀也会造成电池体积膨胀的不均匀性。

图4.S1与S2充放电过程中表面形貌动态变化图

 图5.圆柱电池各个部分组成示意图

3.总结

本文利用CCS1300-4圆柱电池原位膨胀测试系统，测试了两款负极不同硅含量的21700圆柱电池化成和充放电过程中的膨胀行为。测试发现，硅氧含量对圆柱电池体积膨胀影响非常显著，且电池本身体积膨胀存在较大不均匀性。通过分析体积膨胀数据和表面形貌动态变化图，可以为硅负极材料的应用和圆柱电池结构设计提供数据支持，助力锂离子电池研发及质量管控。

4.参考文献

1. Wenxuan Jiang, Haoran Li, Sicong Wang, Sa Wang and Wei Wang，Dynamic Volumography of Cylindrical Li-Ion Battery Cells by Watching Its Breath During Cycling，

2. Lubing Wang, Sha Yin, Jun Xu,A detailed computational model for cylindrical lithium-ion batteries under mechanical loading: From cell deformation to short-circuit onset,Journal of Power Sources,2019，413，284-292