1、前言

随着新能源产业快速发展，动力电池与储能电池广泛应用，其服役安全性、稳定性及寿命成为行业核心关注点。实际使用中，电芯充放电循环时会因锂离子嵌入脱出、内部产气及温度变化发生体积膨胀，不可逆膨胀随循环积累产生机械应力，影响电池性能与结构完整。

为缓解该问题，工程中普遍在电芯间或电芯与模组壳体间增设泡棉缓冲材料，这是电池模组制造的常规工艺。泡棉凭借良好弹性回弹特性，可吸收膨胀机械能、释放内部应力，避免电芯破损短路，同时固定电芯、减少振动冲击，延长电池寿命。

然而，电芯与泡棉弹性模量差异显著，成为制约模组性能优化的关键。电芯作为刚性结构件弹性模量较高，泡棉作为柔性材料弹性模量偏低，二者力学性能不匹配，导致充放电循环中变形行为相互耦合制约。这种耦合会加剧问题：泡棉形变受约束无法充分发挥缓冲效能，易出现失效；电芯膨胀受泡棉反作用力影响，加速寿命衰减。因此，解耦二者膨胀行为、实现变形独立调控，是优化模组结构的核心。

本文使用元能科技膨胀分析系统（SWE2100）中的恒间隙模式及瞬态压缩模式，尝试解耦电芯在实际带缓冲棉工况中的膨胀行为。

2、实验设备与测试方法

1.1实验设备：

型号SWE系列产品（IEST元能科技）。设备如图1。

图1. SWE2100外观图

1.2测试方法：

选取一种容量为2400mAh 三元/石墨软包电池，以及一款缓冲泡棉。膨胀分析系统先开启恒间隙模式，调节0.1MPa，分别原位监测“电芯”及“电芯+缓冲泡棉”在充放电过程中压力及厚度变化。然后再选取同尺寸的缓冲泡棉，膨胀分析系统开启瞬态压缩模式，监测缓冲棉应力应变曲线。

图2. 恒间隙模式（图a和b）& 瞬态压缩模式（图c）示意图

3、数据分析

为探究缓冲泡棉对电芯膨胀力的调控作用，实验采用恒间隙模式开展对比测试，具体结果如图3所示。实验过程中，初始预紧力统一设置为0.1MPa，模拟电池模组实际装配状态，随后对电芯进行5次充放电循环测试，分别记录未添加缓冲泡棉与添加缓冲泡棉两种工况下的膨胀力变化规律。测试结果显示，未添加缓冲泡棉时，电芯在充放电循环过程中的最大膨胀力达到0.43MPa，而添加缓冲泡棉后，最大膨胀力显著降至0.11MPa，降幅达74%。缓冲泡棉的引入可有效吸收电芯充放电过程中产生的膨胀机械能，大幅削弱膨胀力传递，这不仅能显著降低电池因膨胀力过大导致的极片破损、隔膜击穿等失效风险，延长电芯服役寿命，同时也可降低对电池模组壳体、固定结构的强度设计要求，为模组轻量化、低成本设计提供支撑。

图3.缓冲棉对膨胀力影响

进一步地，为精准解耦电芯在带缓冲泡棉实际工况下的真实膨胀行为，规避缓冲泡棉与电芯变形耦合带来的测量偏差，本文提出一套科学可行的测试与计算方案。该方案具体步骤如下：首先，采用恒间隙模式模拟电池模组实际工作环境，实时监测“电芯+缓冲泡棉”整体的膨胀力变化，获取整体力学响应数据（如图3所示）；随后，单独开展缓冲泡棉力学性能测试，通过压缩实验监测其应力-应变曲线，明确缓冲泡棉在不同应力条件下的形变特性（如图4所示）。同时，由于恒间隙模式下，“电芯+缓冲泡棉”整体对外的膨胀厚度变化量时刻保持近似为0（见公式1），即电芯的膨胀量与缓冲泡棉的压缩量相互抵消，基于这一关键约束条件，可通过整体膨胀力数据与缓冲泡棉应力-应变关系，分别求解出不同应力条件下（或不同充放电时刻）电芯的实际膨胀厚度变化，最终精准获得电芯在带缓冲泡棉工况下的真实膨胀行为与规律（如图5所示）。

图4.缓冲棉应力应变曲线

图5.解耦电芯在带缓冲棉中的膨胀行为

4、总结

本文使用元能科技的膨胀分析系统SWE2100，解耦了实况工况中电芯及缓冲棉间的膨胀行为，其既能保障泡棉缓冲效能、避免其过早失效，又能减少对电芯的约束，提升电池循环寿命与安全性，为泡棉选型及模组结构优化提供理论支撑，助力新能源产业发展。