软包锂离子电池模块结构压力的优化*

张 军，韩 旭，胡春姣，张华平，张练达

(1.湖南大学机械与运载工程学院，长沙 410082； 2.长丰集团有限责任公司博士后工作站，永州 425100)

2016107

软包锂离子电池模块结构压力的优化*

张 军1,2，韩 旭1,2，胡春姣1,2，张华平2，张练达1,2

(1.湖南大学机械与运载工程学院，长沙 410082； 2.长丰集团有限责任公司博士后工作站，永州 425100)

软包锂离子电池在构成模块时需要施加一定的压力进行约束，为分析该压力对电池性能的影响，给5组卷绕工艺的软包锂离子电池施加不同的压力，进行充放电试验。经过约2 000次循环后进行对比分析，结果表明：电池施加2kN以上压力进行充放电循环时，电池负极片发生断裂；不加压力进行充放电循环，负极片会产生大量析锂现象；施加1kN压力时，不但可避免极片断裂，还能在一定程度上抑制负极析锂现象。因此，样本电池构成模块时施加1kN左右的压力有利于延长电池寿命。

锂离子电池；软包；模块结构；压力；优化

前言

锂离子电池是目前电动汽车储能器的最佳选择之一。它常采用铝塑复合膜进行包装，这样制造出的软包锂离子电池能量密度高、安全性好、制造工艺简单，但在模块化组成电池包时需要采取合适的方法进行固定。软包锂离子电池模块一般采用层叠的方式构成模块，在模块中对层叠的电池施加一定的力进行压紧，其作用主要是对电池进行约束。该压力若太小则电池在随车体振动时容易被损坏；太大则会对电池的寿命产生负面影响。因此进行软包锂离子电池模块结构设计时必须考虑给电池施加一个合适的压力。

国外针对压力对电池的影响进行的研究较多。文献[1]中研究表明小的堆叠压力能防止层与层脱开，对电池长期寿命有利。但由于循环锂离子的流失，较大的压力导致较大的容量衰减率。另外，堆叠压力还会导致隔膜局部变形以及化学降解。文献[2]中通过准静态“面内”压缩约束实验发现电池会发生垂直于厚度方向的弯曲，形成弯折与剪切带并最终导致电池致密化。文献[3]中研究了由于锂扩散和热膨胀引起的隔膜应力，隔膜的最大应力总是出现在它与电极边缘缠绕处的内侧，而其他部分是相对稳定的应力区域且相对较小。文献[4]的研究表明当电池容量从0～100%变化时，锂电池的厚度会增加1.2%。从这些研究结果来看，锂电池外部压力对电池的性能有明显的影响，在进行锂电池模块结构设计时必须考虑。

国内针对锂电池的研究主要是热分析居多，针对外力对电池性能影响的研究较少。本文中通过实验获取软包聚合物锂离子电池外部压力对电池性能的影响，得出施加在电池上最佳的压力值，为电池模块设计提供依据。

1 实验条件

1.1 加压装置

本实验选取了三元聚合物锂离子电池为对象，该电池型号为8865190，容量为10A·h，采用卷绕工艺，隔膜为PP膜。针对实验目的，设计了加压装置，对电池施加一定的压力，并利用某锂电池生产企业化成车间的化成柜进行充放电，测试加压对电池寿命的影响。

设计的加压装置如图1所示。

图1 电池加压装置

多个板状软包锂离子电池层叠布置在两块夹板中间，通过螺栓调整弹簧的压缩量，从而改变施加在上夹板的力，并最终调整施加给电池的压力。根据弹簧的弹性系数和可压缩量可得到能够施加在电池上的最大压力为3.75kN。

1.2 实验方案

为了进行对比，选取了5个不同的压力进行分组，5个压力分别为0，1，2，3和3.75kN。根据电池的面积，换算成给电池施加的压强分别为0，86，172，258和323kPa。每组5个电池，一共25个电池。利用生产车间的化成柜进行充放电循环实验。

5组电池分别进行充放电循环实验。一个完整的充放电循环如下：充电过程为先恒流5A充电至电压为4.2V，后转入恒压充电，保持电压4.2V,充电至电流降为1A停止，然后搁置10min；放电过程采用恒流放电，放电电流10A，放电至电池电压降到3.0V截止，然后搁置10min。如此不断进行连续充放电循环实验。

2 实验结果

2.1 实验数据

经过将近一年的实验，电池的剩余容量表现出明显的区别。各组电池的实验数据曲线如图2～图6所示。

图2 3.75kN压力下各电池容量变化

从图2中可以看出，在3.75kN压力下，电池容量下降明显，经过1 729次循环后剩余容量均值约5.2A·h左右。

图3 3kN压力下各电池容量变化

从图3中可以看出，在3kN压力下，电池容量下降也比较明显，经过1 729次循环后剩余容量均值约在6A·h左右。

图4 2kN压力下各电池容量变化

从图4可以看出，在2kN的压力下，在前500次循环时，电池容量保持较好，之后开始有较明显的下降，经过2 138次循环后电池剩余容量均值约7A·h左右。其中5号电池在2 016次循环后出现故障，然后终止其充放电。其余在2 138次循环后终止实验。

图5 1kN压力下各电池容量变化

从图5可以看出，在1kN的压力下，前700次循环，电池容量保持较好，之后开始稳步下降，经过2 138次循环后，电池剩余容量均值约8A·h左右。其中5号电池在1 875次循环后电池容量突变为7.5A·h，与其它4个电池有明显差异，在2 016次循环后出现故障，终止该电池的充放电。其余在2 138次循环后终止实验。

图6 无压力下各电池容量变化

从图6可以看出，3号电池由于电池本身品质的问题，容量表现不稳定，其余电池在自由状态下充放电容量表现平稳，经过1 875次循环后，仍有8.5A·h容量。此后，由于设备维修，停止充放电静置4天，恢复循环实验后，自由状态下的电池充放电容量有一个明显的阶跃衰减，衰减至7.5A·h左右。

容量突变的原因可能由设备维修时对该充放电设备的不当操作、温度突变或其它原因引起析锂而导致。因为该组电池在随后的充放电过程中容量表现稳定，因此继续该组电池的实验至2 016次循环时，4号和5号电池出现故障，终止其充放电，其余在2 138次循环后终止实验。

3号电池的容量性能表现波动非常大，最早的明显差异出现在第600次与700次循环之间，后来恢复正常，到1 400次循环后容量又出现大幅度的波动。分析原因可能是该电池制造过程存在瑕疵，导致电池容量不稳定；也可能是化成设备本身存在故障。因此计算组平均容量时将该电池数据剔除。

不同压力下电池剩余容量均值的变化如图7所示。可以看出：各组电池在1 729次循环之前，压力越大，电池剩余容量衰减速度越快；1 729次循环后，由于3.75和3kN压力下的电池容量已经低于70%，停止实验。

图7 不同压力下电池容量均值变化

在1 825次循环之前，0，1和2kN压力下的3组电池，压力越小的剩余容量越大，无压力组的剩余容量一直是最高的。所有电池的容量衰减均表现出逐渐下降的特点，其中加压1kN与不加压力电池剩余容量差别很小。无压力的电池剩余容量突变后少于1kN压力组电池剩余容量。由此可知，软包锂离子电池在构成模块时，加适当的压力对电池寿命是有益的。

2.2 拆解结果

实验结束后在真空箱内对电池进行拆解，同时进行拍照和摄像。

图8为压力3.75kN组1号电池拆解后图片。由图可见，负极片发生完全断裂现象。

图8 3.75kN组1号电池拆解图

图9为压力3kN组4号电池拆解后图片。由图可见，负极片发生了断裂现象。

图9 3kN组4号电池拆解图

图10 2kN组5号电池拆解图

图10为压力2kN组1号电池拆解后图片。由图可见，负极片也发生了断裂。

图11为压力1kN组1号电池拆解后图片。由图可见，也有断裂现象，只是未完全断裂，同时表面析锂现象比较明显。

图11 1kN组1号电池拆解图

图12为无压力组1号电池拆解后图片。由图可见，电池负极片无断裂现象，但是负极片表面有大量的析锂现象。

图12 无压力组1号电池拆解图

3 结果分析

3.1 极片断裂现象分析

总结上述断裂现象的特点发现：电池负极片发生断裂的位置一般都是在负极片的最内层第一个弯折处。

卷绕式结构的软包锂离子电池，电池的负极耳与负极最内层的铜箔相连。如果电池的负极片发生断裂，则从断裂处往外的部分不再参与充放电的电化学反应，仅剩从断裂处往里至最内层的部分极片上的负极材料参与电化学反应。直接的后果就是电池容量明显降低。

断裂处的局部放大如图13所示。

图13 断裂处局部放大示意图

图中A所指处即为断裂位置。断裂与石墨膨胀现象有关。锂离子电池负极材料为石墨，负极化学反应为

xLi++xe-+6C⟺LixC6

(1)

充电时，带正电的锂离子从正极材料穿过隔膜孔隙后来到负极，锂离子电池在充电过程中锂离子不断嵌入负极材料，使负极材料石墨发生膨胀，膨胀率约10%。若电池不受其它外力，电池体积会有一定程度的膨胀，由于此时的膨胀是均匀的，不会有极片断裂现象。

若施加压力则限制了电池厚度方向的膨胀，负极材料向外侧膨胀的趋势增加。施加的压力越大，对电池厚度方向膨胀的抵抗越大，负极材料向外侧膨胀得越多。膨胀时作为负极材料基底的铜箔被拉伸。每一次充电，铜箔就被拉伸一次。多次充放电后，铜箔因不断地拉伸/收缩而发生断裂。因此，电池极片发生的断裂是石墨膨胀现象与电池外部压力共同作用的结果。

铜箔在锂电池内部是用于导电的。极耳焊接在负极的最内层铜箔上，当涂敷有负极材料的铜箔断裂后，从断裂处往外的大部分负极材料不再参与充放电，电池容量将明显下降。实验结果“大压力的几组电池极片都发生了断裂，容量的下降也更明显”很好地印证了这一点。因此进行软包电池模块设计时应该注意给电池施加的压力不能太大，以免极片断裂。

3.2 析锂现象分析

析锂现象一般是由于充放电电流过大，锂离子在石墨负极表面来不及储存而析出的现象。本实验中1C充放电，电流并不很大。析锂应该是在电池寿命的后期电解液基本耗尽后产生的。电解液基本耗尽后电池负极与隔膜间由于微观不平导致在局部负极材料与隔膜间产生间隙，锂离子在间隙处失去向负极运动的最短路径后，在间隙边界部位锂离子相对集中又来不及储存，从而造成析锂。

产生析锂后容量出现明显的下降，无压力的一组锂离子电池负极片在最后(图12)有大量的析锂现象，1kN组的锂离子电池负极片在最后(图11)析锂情况没有无压力组严重，在容量上直接表现出来，1kN组电池剩余容量均值为8A·h，而无压力组剩余容量均值仅为7.5A·h。

板状软包锂离子电池若不施加压力，在极片与隔膜之间容易产生气泡并导致析锂现象。所以模块结构设计时要考虑施加一个既能够抑制气泡产生又不会导致极耳断裂的压力。

4 结论

采用卷绕工艺生产的软包锂离子电池在构成模块时，给电池施加压力过大会导致电池负极片断裂；不加压力或加压力太小则在负极片容易产生析锂现象。考虑这两方面的影响，软包锂离子电池8865190施加压力的最优值在1kN左右。该电池在进行模块结构设计时，给电池施加1kN左右的压力(对应压强在86kPa左右)来约束电池，既可以避免极片压断又较好地抑制了析锂，对电池的寿命是比较有利的。

本文中通过实验对比分析5组电池在不同压力下的容量表现，得出5个压力中的最优值，为设计电池模块提供参考。其结果对其它厂家生产的卷绕工艺软包锂离子电池模块结构设计有借鉴意义。对于叠片工艺生产的锂离子电池因为不会有极片断裂现象，此最优压力仅供参考。本文中实验设计为针对某款卷绕式电池进行测试，该实验装置也可以用于叠片工艺生产的锂离子电池实验。本实验采用相对恒定的电流进行充放电，在实际电动车行驶时电池的电流工况是复杂的，电流的大小影响负极材料的膨胀速度，进而影响电池的压力。该实验装置经过改进后加入了压力传感器并用于新一阶段的实验，能够随时观察充放电过程中的压力变化。

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An Optimization of the Pressing Force Applied onto the ModuleStructure of Soft-package Lithium-ion Battery

Zhang Jun1,2, Han Xu1,2, Hu Chunjiao1,2, Zhang Huaping2& Zhang Lianda1,2

1.CollegeofMechanicalandVehicleEngineering,HunanUniversity,Changsha410082; 2.PostdoctoralWorkstationofChangfeng(Group)Co.,Ltd.,Yongzhou425100

When soft package lithium-ion batteries are composed to be a module, certain pressing force should be applied as a constraint. In order to analyze the effects of pressing force on battery performance, five groups of soft package lithium ion batteries with winding process are chosen with different pressing forces applied to conduct charge-discharge tests. The results indicate that after 2000 cycles of charge and discharge, batteries without pressing force applied show a significant lithium-ion separation on their negative poles; for batteries with a pressing force of 2kN applied, fracture will occur on negative poles; while with a pressing force of 1 kN applied, not only fracture on negative pole does not happen, but the phenomena of lithium-ion separation also be restrained to certain extent. Therefore, when batteries are composed to form a module, application of a pressing force of some 1kN is conducive to extending the service life of batteries.

lithium-ion battery; soft-package; module structure; pressing force; optimization

*湖南省自然科学基金(2014RS4001)资助。

原稿收到日期为2015年4月16日，修改稿收到日期为2015年7月10日。