許多熟悉棱柱形鋰離子電池結(jié)構(gòu)的人會說它會呼吸。充電和放電會導(dǎo)致內(nèi)部組件的溫度、電化學(xué)和力學(xué)變化，進(jìn)而改變內(nèi)部壓力。當(dāng)制造商試圖創(chuàng)造一種高效、輕便且安全的產(chǎn)品時，設(shè)計(jì)師密切了解這些特性至關(guān)重要。

無論是哪個行業(yè)、消費(fèi)電子產(chǎn)品或儲能系統(tǒng)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(fā)生災(zāi)難性事件時，它們也必須是安全的。這些功能通常會發(fā)生沖突，找到平衡點(diǎn)并保持成本競爭力可能是一個挑戰(zhàn)。

在考慮電池的材料和結(jié)構(gòu)時，評估壓力動態(tài)對于保持材料間距、控制放氣和防止過度膨脹至關(guān)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(fā)現(xiàn)界面壓力分布在峰值壓力的局部區(qū)域內(nèi)通常并不均勻。壓力映射技術(shù)可幫助設(shè)計(jì)工程師深入了解可能影響設(shè)計(jì)和質(zhì)量的領(lǐng)域。

如圖 1 所示，壓力映射系統(tǒng)由三個組件組成——傳感器、掃描電子設(shè)備和軟件——以其他方法無法提供的方式提供實(shí)時、可操作的數(shù)據(jù)。

圖 1：設(shè)計(jì)師和工程師使用壓力映射系統(tǒng)（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(diǎn)陣列，用于測量傳感區(qū)域的壓力分布。傳感器將壓縮壓力負(fù)載轉(zhuǎn)換為阻力的變化。

傳感器通常有大約 2,000 個感應(yīng)點(diǎn)，但有些傳感器可以設(shè)計(jì)有超過 16,000 個感應(yīng)點(diǎn)。

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(dá) 25,000 PSI (172 MPa) 的壓力范圍

高達(dá) 200°C (400°F) 的高溫傳感器選項(xiàng)

掃描電子設(shè)備從傳感器收集模擬數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

可用掃描速度高達(dá) 20,000 Hz

該軟件顯示傳感器區(qū)域的實(shí)時活動，允許用戶查看力、壓力、接觸面積和計(jì)時數(shù)據(jù)。

一種由研究支持的測量壓縮堆疊應(yīng)力的方法

雖然許多制造商在制造過程中努力保持穩(wěn)定的堆棧結(jié)構(gòu)，但許多制造商并未將堆棧壓力作為其質(zhì)量程序的一部分進(jìn)行驗(yàn)證。此外，許多人沒有量化電池充電和放電時電池組上的內(nèi)部應(yīng)力。

在 2013 年普林斯頓大學(xué)的一項(xiàng)研究1 中，研究人員發(fā)現(xiàn)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(dǎo)致更高的容量衰減率。” 當(dāng)陽極和陰極分離時，顯著的內(nèi)部壓力會導(dǎo)致塑性變形、分層和內(nèi)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(dāng)壓力過低時仍可能發(fā)生分層。

尋找住房壓力的“甜蜜點(diǎn)”成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。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(xiàng)研究成功地測量了循環(huán)測試中的平均壓力，但壓力映射技術(shù)為工程師提供了一個機(jī)會，可以更深入地了解該應(yīng)用并識別特定的壓力區(qū)域。

一種測量電池組應(yīng)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(shù)據(jù)。如圖 2 所示，在電池充電/放電循環(huán)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(shè)計(jì)人員如何使用壓力映射技術(shù)來測量鋰離子電池充電和放電時產(chǎn)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(shè)計(jì)人員可以獲得豐富的評估工具，并深入了解不同使用參數(shù)對其設(shè)計(jì)的影響。這些研究幫助設(shè)計(jì)師找到了滿足他們需求的正確材料和最佳結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生了具有可重復(fù)結(jié)果的更好設(shè)計(jì)。

壓力映射已被用于評估數(shù)千次充電和放電循環(huán)期間的壓力分布的多月研究——可應(yīng)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(huán)測試的 5 小時段的數(shù)據(jù)?；谶@些短期結(jié)果，在充電和放電過程中會發(fā)生明顯的界面壓力動態(tài)，包括電池上在充電過程中顯示出過大壓力的特定區(qū)域。?

圖 3：五小時充電/放電循環(huán)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(shù)還被用于評估外殼設(shè)計(jì)或在沖擊測試中識別電池上的脆弱位置。

在嘗試優(yōu)化本文中描述的特性時，設(shè)計(jì)人員永遠(yuǎn)不應(yīng)損害其產(chǎn)品的安全性。充電期間溫度升高導(dǎo)致鋰化，從而導(dǎo)致放氣。電池中額外氣體的內(nèi)部壓力會導(dǎo)致外殼或隔板失效，從而導(dǎo)致熱失控反應(yīng)。

壓力映射技術(shù)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(qū)域的重要方法，從而導(dǎo)致更好的設(shè)計(jì)決策和更持久的技術(shù)。

審核編輯 黃昊宇