实时监控锂离子脱嵌过程

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锂离子电芯在充放电过程中，锂离子的嵌入与脱出会导致电芯内部应力逐渐增加。若应力累积到一定程度，可能引发颗粒破碎或析锂，进而影响电芯的使用容量和寿命。电池封装在电动汽车或3C电子产品中时，因空间限制可能受到挤压，影响其后续性能。本研究采用原位膨胀分析仪（SWE）对NCM523/石墨电芯进行不同初始预紧力条件（100N、1000N、5000N）的充放电应力测试，以对比分析电芯膨胀行为。

实验设备包括原位膨胀分析仪（SWE2110，IEST元能科技），可施加压力范围为50~10000N。测试流程包括充电和放电阶段，充电流程为25℃下静置5分钟，以0.5C电流至4.35V，然后以0.05C电流至恒电压阶段；放电阶段同样进行5分钟静置，以0.5C电流至2.8V。厚度膨胀测试时，将电芯放入设备通道，开启MISS软件，设置通道电芯编号、采样频率、测试压力等参数，软件自动读取电芯厚度、厚度变化量、测试温度、电流、电压、容量等数据。

实验数据分析表明，在不同预紧力条件下，电芯在充放电过程中的膨胀曲线和微分容量曲线有所变化。随着初始预紧力增加，电芯在充放电过程中的应力变化量也增加。预紧力越大，电芯初始厚度越小，电池在脱嵌锂过程中的结构膨胀被限制的程度越大。微分容量曲线显示，充电时脱嵌锂的峰位右移，极化增大，表明膨胀应力增加会抑制锂离子脱嵌反应，影响电池动力学性能。

进一步分析充放电过程中的不可逆膨胀应力，电芯在不同预紧力条件下的应力变化与SOC曲线显示，在相同SOC条件下，充电过程的应力变化量大于放电过程，两者之间的差值为可恢复的应力值。随着预紧力的增加，可看到应力变化量增加，这是造成电池极化增加的主要原因。

总结而言，采用原位膨胀分析仪（SWE）对NCM523电芯在不同预紧力条件下充放电过程的膨胀应力进行了分析。在5000N预紧力范围内，随着预紧力的增加，电芯的膨胀应力逐渐增大，导致电芯极化增大，动力学性能变差。因此，在设计电芯封装或使用过程中，需关注初始预紧力的影响。