01背景

在鋰離子電池循環(huán)過程中會(huì)產(chǎn)生內(nèi)壓，影響電池的內(nèi)阻、界面及鋰離子沉積模式[1–3]。同時(shí)，鋰電池在裝配和工作時(shí)會(huì)被施加外力。壓力能夠通過界面作用影響鋰電池的各項(xiàng)性能[4–6]。電池壓力的產(chǎn)生是非常復(fù)雜的，壓力的產(chǎn)生可分為內(nèi)因和外因。內(nèi)因主要是鋰離子的脫嵌過程和電池內(nèi)部副反應(yīng)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(jī)械施壓導(dǎo)致的壓力，以及使用過程中，由于受到外部壓力作用，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為內(nèi)壓等[7–9]。

02壓力的影響、建模和作用

2.1壓力對(duì)電池性能的影響

壓力對(duì)電池性能的影響具有兩面性：適當(dāng)?shù)膲毫δ軌虮ＷC電池各部分組件緊密接觸，防止電極界面接觸不良，進(jìn)而改善鋰離子的沉積模式，提升電池的循環(huán)穩(wěn)定性，還可以通過降低電池的內(nèi)阻和極化[10–12]。壓力不足，在電池多次循環(huán)后容易導(dǎo)致電極-電解質(zhì)界面脫離接觸，電池容量迅速衰減，嚴(yán)重影響電池壽命。壓力過大，會(huì)造成界面惡化，電池的電阻倍增，電池容量迅速衰減，嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞電池的結(jié)構(gòu)，造成電池失控。體積膨脹伴隨內(nèi)壓的不斷波動(dòng)，不僅會(huì)造成電池極片的龜裂、脫落，鋰枝晶及死鋰的惡性生長(zhǎng)，嚴(yán)重影響電池的循環(huán)性能，而且體積變化會(huì)破壞電池結(jié)構(gòu)，造成電池鼓包、破裂等嚴(yán)重后果[13–15]。

2.2壓力的建模

針對(duì)電池的壓力建模一般需要建立電力雙場(chǎng)耦合或電熱力三場(chǎng)耦合的模型[13]。在耦合方式上，由于三場(chǎng)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(shí)現(xiàn)三場(chǎng)的完全雙向耦合存在較大的困難，目前在三場(chǎng)耦合建模方面都是采用單向和雙向耦合相結(jié)合的方式；在模型尺度上，三場(chǎng)模型一般不在同一尺度下進(jìn)行，這是由于不同模型所解決的實(shí)際問題不同，電化學(xué)模型一般描述顆?；螂姌O尺度下的電化學(xué)過程，力模型以擴(kuò)散誘導(dǎo)應(yīng)力和熱應(yīng)力來區(qū)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(chǎng)耦合建模也遵循不同模型的尺度應(yīng)用場(chǎng)景；在模型維度上，為了進(jìn)行簡(jiǎn)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(chǎng)建模耦合方式[13]

電熱力耦合模型主要用于研究電池力學(xué)特性，一般可分為兩類：一是與內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生有關(guān)的電化學(xué)-熱行為，該類模型主要是強(qiáng)調(diào)電池內(nèi)部擴(kuò)散-誘導(dǎo)應(yīng)力和熱應(yīng)力的產(chǎn)生及其引起的電池衰退行為；二是考慮外部機(jī)械加載導(dǎo)致的電池動(dòng)態(tài)過程，該類模型主要考慮外部機(jī)械加載導(dǎo)致的內(nèi)短路、熱失控、壽命衰減等過程。

2.3基于壓力信號(hào)的電池狀態(tài)解析

壓力信號(hào)可用于解析電池SOC。電池在充放電過程中存在呼吸效應(yīng)，即電池隨著電池SOC的變化而產(chǎn)生膨脹和收縮，進(jìn)而使得電池壓力產(chǎn)生周期的變化。在正常充電階段，電池表面機(jī)械壓力逐漸增大，在正常放電階段，電池表面機(jī)械壓力是一個(gè)逐漸恢復(fù)的過程。西安交通大學(xué)的JIANG等提出了一個(gè)充分考慮堆疊力的等效力學(xué)模型，首先測(cè)量堆疊壓力，然后通過模型預(yù)測(cè)電池的厚度，從而估計(jì)電池的荷電狀態(tài)。同濟(jì)大學(xué)的DAI等基于靜態(tài)應(yīng)力與SOC之間的關(guān)系以及動(dòng)態(tài)應(yīng)力建模，建立了SOC的估算方法，估計(jì)誤差小于4%。實(shí)驗(yàn)裝置如下圖所示。

圖2電池壓力測(cè)試裝置示意圖[16]

壓力信號(hào)可用于解析電池SOH。隨著電池的循環(huán)使用，電池受到的壓強(qiáng)隨著電池循環(huán)次數(shù)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(huán)，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(fù)極石墨端在充放電循環(huán)的過程中，Li+在石墨層之間脫嵌會(huì)打破石墨層之間的力學(xué)平衡，造成原子之間的斥力增加，因此石墨端會(huì)發(fā)生膨脹。同時(shí)，電池受到的壓強(qiáng)變化主要集中在前中期循環(huán)，之后的循環(huán)壓強(qiáng)則穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，這也說明電池內(nèi)部的不可逆膨脹主要發(fā)生在電池壽命的前中期，電池壽命后期內(nèi)部膨脹和壓強(qiáng)變化則相對(duì)穩(wěn)定。電池的不可逆膨脹是較為長(zhǎng)期緩慢的過程。電池生命周期中，電池負(fù)極膨脹相較于正極更加明顯，負(fù)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(hào)可用于電池安全預(yù)警。在鋰離子電池在熱失控過程中，會(huì)出現(xiàn)電池鼓包、膨脹等不可逆機(jī)械形變現(xiàn)象，其中主要的原因有電池的電解液蒸汽氣化和副反應(yīng)產(chǎn)氣等；電池?zé)崾Э剡^程中，副反應(yīng)產(chǎn)氣會(huì)導(dǎo)致電池發(fā)生形變；形變又會(huì)影響電池內(nèi)部的氣體擴(kuò)散，機(jī)械信號(hào)和氣體信號(hào)存在相應(yīng)的耦合機(jī)制。感知電池安全演化過程中力學(xué)信號(hào)，并耦合氣體信號(hào)來監(jiān)測(cè)電池?zé)崾Э氐某缙谔卣?，成為電池安全監(jiān)控狀態(tài)監(jiān)測(cè)及熱失控預(yù)警的重要方法。目前電池安全狀態(tài)估計(jì)和預(yù)測(cè)主要依賴電熱信號(hào)，很多研究表明，相對(duì)于電熱信號(hào)，壓力信號(hào)在電池安全預(yù)警方面更具潛力。Pannala等人通過短路觸發(fā)電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)測(cè)試了力傳感器在電池失效過程中的信號(hào)響應(yīng)，力學(xué)信號(hào)顯著上升行為明顯早于電壓信號(hào)顯著下降行為，即使是位于內(nèi)短路觸發(fā)器頂部的薄膜測(cè)溫片的溫度響應(yīng)也比力學(xué)信號(hào)響應(yīng)慢。研究表明：力學(xué)信號(hào)可以與電、熱信號(hào)融合，以期更加可靠地實(shí)現(xiàn)電池安全預(yù)警。下圖展示了熱安全事故發(fā)生時(shí)電池電熱力信號(hào)的變化過程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[17]。

圖3電池?zé)岚踩鹿市盘?hào)變化[17]

03結(jié)論

力可直接影響電池的安全和壽命等關(guān)鍵性能指標(biāo)；基于力的建模主要考慮擴(kuò)散誘導(dǎo)應(yīng)力、熱應(yīng)力和外部機(jī)械加載應(yīng)力，并常在電熱力三場(chǎng)耦合下進(jìn)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(jī)理并用于電池優(yōu)化設(shè)計(jì)；力信號(hào)隱含了電池SOC、SOH、安全狀態(tài)等信息，結(jié)合電池的電熱信號(hào)，可進(jìn)一步提高對(duì)電池狀態(tài)的解析能力。

審核編輯：湯梓紅