4680 電芯膨脹不均？原位光學監(jiān)測直觀呈現(xiàn)分布差異

背景：

4680 大圓柱電芯是由特斯拉率先推動落地的新一代動力電池技術(shù)，該電芯規(guī)格為直徑 46mm、高度 80mm，依靠放大電芯尺寸同步優(yōu)化能量密度、放電功率與制造成本，正在重塑全球動力電池行業(yè)競爭格局。目前特斯拉已完成該款電池量產(chǎn)并配套裝車，寶馬、通用等多家主流車企也相繼出臺配套搭載規(guī)劃，帶動全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)能持續(xù)擴張；與此同時，寧德時代、松下、LG 新能源等頭部電池廠商均加快相關(guān)產(chǎn)線研發(fā)與布局，整套上下游產(chǎn)業(yè)鏈配套體系逐步完善。

針對 4680 圓柱電芯的檢測需求，元能科技（廈門）有限公司自主研發(fā)圓柱電芯膨脹檢測設(shè)備。這套設(shè)備依托光學成像檢測方案，搭配自研配套算法，可精準捕捉電芯充放電全程的形變數(shù)據(jù)。該檢測方案能夠?qū)崿F(xiàn)原位實時監(jiān)測圓柱電芯在充放電循環(huán)中直徑與整體體積的動態(tài)變化，還可量化解析電芯不同區(qū)域的膨脹差異分布特征。

為此，元能科技（廈門）有限公司開發(fā)了圓柱電芯膨脹系統(tǒng)。其采用光學方案，并結(jié)合相應(yīng)算法，實現(xiàn)對圓柱電芯膨脹的精準監(jiān)測。本方法可以原位監(jiān)測圓柱電芯充放電過程直徑（體積）變化，同時也能表征圓柱電芯各區(qū)域的膨脹分布情況。

實驗部分：

選取NCM811搭配硅碳負極體系的4680圓柱電芯，設(shè)定1C恒流恒壓充電、1C恒流放電的測試工況，借助原位膨脹檢測設(shè)備實時追蹤電芯形變，精準采集全過程直徑、體積變化數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如圖1。 電芯整體形變規(guī)律表現(xiàn)為充電階段持續(xù)膨脹，滿電狀態(tài)下整體體積膨脹率約0.14%；放電過程體積逐步收縮，該變化趨勢由正負極活性材料充放電過程中的晶格相變行為決定。曲線在充電末期、放電初期出現(xiàn)典型M型膨脹特征峰，這也是高鎳三元材料的標志性形變規(guī)律，相關(guān)機理可參照往期公眾號推文。 而放電階段末端出現(xiàn)體積小幅抬升的現(xiàn)象，推測是大尺寸圓柱電芯放電過程內(nèi)部產(chǎn)熱持續(xù)堆積，熱膨脹效應(yīng)引發(fā)的額外形變。

圖1. 4680圓柱電芯充放電過程中體積變化

本次測試的監(jiān)測區(qū)間設(shè)定為電芯正極頂端往下4 mm至74 mm的縱向區(qū)段，總監(jiān)測長度70 mm，對應(yīng)檢測結(jié)果見圖2。 系統(tǒng)將該縱向區(qū)域均勻切分為80個觀測層；選取相對于初始方位45°的觀測視角進行分析后能夠清晰發(fā)現(xiàn)：電芯縱向各位置初始膨脹本就存在差異，且隨著充電SOC提升，形變不均一的現(xiàn)象會進一步加劇。  以0%SOC的初始狀態(tài)作為參照，電芯滿充（100%SOC）時的膨脹量呈現(xiàn)中間區(qū)域高、上下兩端低的分布特征。該現(xiàn)象的成因大概率是鋼殼對電芯首尾兩端的約束作用更強，電芯中部受到的機械束縛更弱，更容易發(fā)生徑向膨脹。 該分層監(jiān)測得到的縱向膨脹差異數(shù)據(jù)，可為圓柱電池鋼殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供直觀、量化的實驗支撐。

圖2. 4680圓柱電芯充放電過程中徑向直徑變化

小結(jié)

對4680圓柱電池膨脹行為的原位精準表征，已成為技術(shù)迭代的關(guān)鍵。它不僅助力硅碳負極的高膨脹體系開發(fā)，優(yōu)化材料配方，也能為圓柱電池的鋼殼工藝改進、結(jié)構(gòu)加強設(shè)計提供實證數(shù)據(jù)，從根源上提升電芯的循環(huán)壽命與安全邊界，推動大圓柱電池技術(shù)的成熟與落地。