作者信息和文章摘要
2020年中南大学和宁德时代共同研究了三元系动力电池在不同设计和组装工艺条件下的循环膨胀力的变化，并结合3D模拟，模拟分析了电池组循环失效后对模块壳体的膨胀力，指导了电池设计。
测量信息
单体电池： S40 (含40个电极片)、S60 )含60个电极片)、电极片与铝壳之间的间隙相同。
模块电池： S60_1P4S (含6个S40单电池)、S60_1P4S ) S60单电池4个)。
测试参数： 25，1C/1C。
图1 .实验电池和模块示意图： ) b ) S60电池； (c ) S40 1P6S模块； (d ) S60 1P4S模块
表1 .模块大小分析
结果分析
1 .实测单电池和模块的循环膨胀力分析
从单体电池的容量保持率和膨胀力曲线来看，在S40和S60电池的最初1000个循环中，两者没有明显的差异，表示此前电极片和铝壳体之间确保的空隙充分支持了电极片的膨胀。 在持续循环到1300转的期间，S60电池的容量衰减速度明显大于S40电池，S60的膨胀力的增加速度也大于S40。 这表示，在方形铝壳体的电极和铝壳体的空隙一定的情况下，电极片的数量越多，在长期循环后期膨胀力的增加就越快，电池容量的衰减就越快。
图2 .电池容量的衰减和膨胀力
图3.a(s40和) b ) S60的电池充放电曲线
2个模块电池、S40_1P6S单电池之间的间隙为2.4mm，S60_1P4S单电池之间的间隙为2.0mm，从2个模块电池的容量保持率和膨胀力曲线来看，S40和S60的电池单元在前400个循环时，两者没有明显不同在此前在单元与模块壳体之间预留的间隙持续循环到表示充分支持单元膨胀的1000转的期间，S60_1P4S模块的容量衰减速度明显大于S40_1P6S模块，而且S60的一种情况是，由于S60_1P4S模块的内部预约空间小于S40_1P6S模块，模块壳体在更早的时期膨胀。 另一个理由是，由于S60单体电池的电极焊盘数量多，因此膨胀力会比S40单体电池大，反馈到模块壳体的膨胀力也会变大。 因此，在模块设计中，必须平衡考虑间隙的确保和膨胀力对电池容量衰减的影响。
图4 .模块容量的衰减和膨胀力
2 .模块设计的仿真分析
基于以往单电池和模块电池的实际膨胀力测试，采用模拟的方法分析模块的三个主要结构物(顶盖、侧板、顶板焊接点)所能承受的最大膨胀力，预先评价模块结构的可靠性。 利用ABAQUS模拟软件，可以输入实测单元的膨胀力和材料特性等参数，最终输出模块结构零件受到的应力。 如图5和表2所示。 比较表2所示各部件的模拟应力值和破坏阈值，如果S60_1P4S模块各部件的膨胀力大于S40_1P6S模块，部件的破坏阈值小于模拟值，则表明该结构不满足设计需要
图5 .模块膨胀力模拟： (d-f ) S60-IP4S模块模拟
表2 .模块EOL膨胀力模拟
总结
本文利用实验测试和3D模拟分析了三元系单电池和模块在EOL中循环的膨胀力，指出了电池设计中应注意的内部预留间隙、电极片数量、模块结构物的断裂应力阈值等参数对电池循环的影响。
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参考文献
Yongkun Li，Chuang Wei，Yumao Sheng，Feipeng Jaiwu，Andkaiwu.SwellingForceinlithium-ionpowerbatteries，ind.eng.chem