動力電池循環(huán)使用過程中會逐漸老化，產(chǎn)生氣體導(dǎo)致電池膨脹。因此，出于電池安全、可靠性和壽命考慮，動力電池在模組裝配時都要進行固定約束。模組裝配時如何對電池進行約束、用多大的力約束極具研究價值，因為約束的好壞直接關(guān)系到電池的性能和壽命。最近，來自德國大眾汽車的MartinWünsch、JorgKaufman和亞琛工業(yè)大學(xué)的DirkUweSauer研究對比了不同約束條件下NMC622軟包電池的循環(huán)壽命和電化學(xué)阻抗譜，研究成果發(fā)表在JournalofEnergyStorage。

研究亮點：

（1）系統(tǒng)研究了四種約束條件下NMC622軟包電池的循環(huán)和電化學(xué)阻抗譜，對實際軟包電池模裝配約束提供了指導(dǎo)，研究方式和思路值得學(xué)習(xí)借鑒；

（2）引入了參數(shù)歸一化最小實部NGM，有利于快速判斷約束方式的優(yōu)劣。

圖1.實驗所用軟包電池

實驗所用電池為NMC622軟包電池，單電芯容量37Ah，電池外觀及尺寸如圖1所示。其中正極31層，負(fù)極32層；隔膜為雙面涂覆Al2O3，單面涂覆3μm，隔膜總厚度16μm。工作電壓區(qū)間為2.5-4.15V。

圖2.四種約束方式：Ⅰ.無約束(Unbraced)，可測電池厚度變化；Ⅱ.穩(wěn)定約束(Braced)，配備力傳感器；Ⅲ.六變形元素約束(Defoelements)，其中暗紅色為彈片；Ⅳ.四彈簧恒力約束(Springs)。

表1.電化學(xué)阻抗譜EIS和功率峰值PPT(peakpowertests)測試條件

對軟包電池的四種約束形式如圖2所示。在以上四種不同約束條件下，電池在2.15-4.15V之間進行1C充放電循環(huán)，每循環(huán)100周在23℃靜置3h讓電池溫度達(dá)到平衡，最后再進行4周充放電循環(huán)，最后一次循環(huán)的放電容量用于判斷電池的SoH(StateofHealth)。此外，還進行了電化學(xué)阻抗譜EIS和功率峰值PPT(peakpowertests)測試，測試條件如表1所示。

圖3.不同約束條件下電池老化行為：（a）SoH；（b）50%SOCPPT電阻；（c）無約束電池循環(huán)厚度變化；（d）穩(wěn)定約束電池循環(huán)膨脹力變化。注：文中EoL(EndofLife)定義為電池容量達(dá)到初始容量的80%。

如圖3a所示，無約束狀態(tài)電池在循環(huán)400周左右SoH陡崖式降至80%以下，穩(wěn)定約束電池循環(huán)1300周達(dá)到EoL，六變形元素約束電池循環(huán)1600周達(dá)到EoL，而四彈簧恒力約束電池需要循環(huán)3000周才達(dá)到EoL。以上結(jié)果直觀的表明軟包電池的約束形式對其循環(huán)壽命影響有顯著影響。

如圖3b所示，四彈簧恒力約束電池PPT電阻上升趨勢最為緩慢，無約束狀態(tài)電池在循環(huán)500周左右PTT電阻陡然上升，穩(wěn)定約束電池循環(huán)100周即可明顯觀察到PPT電阻上升趨勢，六變形元素約束電池循環(huán)1000周PPT電阻陡然上升。以上結(jié)果與圖a相對應(yīng)。

從圖3c可以看出，在無約束條件下，0-400周循環(huán)充電和放電過程電池厚度差穩(wěn)定在200μm,循環(huán)400周后電池厚度猛增至約2300μm。

圖3d為穩(wěn)定約束狀態(tài)下循環(huán)充放電過程電池膨脹力變化。不難看出，數(shù)周循環(huán)后100%SOC膨脹力F約為4.3KN。隨著循環(huán)進行，F(xiàn)不斷增長，且300周后F幾乎呈線性增長趨勢，充電和放電過程膨脹力差值約為5KN。當(dāng)循環(huán)1300周電池達(dá)到EoL時，充電過程膨脹力達(dá)到10.78KN。因此在模組裝配時，如何有效應(yīng)對電池的膨脹力至關(guān)重要，模組中相關(guān)受力材料的選擇很關(guān)鍵。

圖4.四種不同約束條件下、不同SoH狀態(tài)電池Niquist電化學(xué)阻抗譜圖

直觀上看，四種約束狀態(tài)Niquist圖中感抗部分均很顯著，作者認(rèn)為該現(xiàn)象同電池的組織結(jié)構(gòu)相關(guān)。如圖4a所示，無約束電池在100%SoH和73.57%SoH阻抗譜半圓弧部分幾乎沒有變化，唯一增長的是歐姆電阻，由此表明電池老化的主要原因是電解液的惡化和界面接觸變差。圖4b和圖4c顯示穩(wěn)定約束和六變形元素約束電池的歐姆電阻增長均小于無約束狀態(tài)電池，但二者的半圓弧顯著擴大，表明存在多種老化模式。作者認(rèn)為以上兩種約束形式電池膨脹受阻，電池內(nèi)部作用力大，顆粒破裂導(dǎo)致歐姆電阻增大。如圖4d所示，四彈簧恒力約束狀態(tài)阻抗譜半圓弧部分?jǐn)U大最為明顯，而歐姆阻抗幾乎沒有變化，表明老化過程阻抗主要來自雙電層電阻。以上結(jié)果表明不同于以上三種約束方式，四彈簧恒力約束狀態(tài)電池有一定的膨脹空間，能一定程度避免顆粒裂紋的出現(xiàn)和隔膜的變形，進而最終得到較好的循環(huán)效果。

圖5.四種不同約束狀態(tài)電化學(xué)阻抗譜圖實部-頻率（對數(shù)）關(guān)系曲線

鑒于在中頻區(qū)半圓弧部分對應(yīng)的實部變化明顯，且約束與否對歐姆接觸影響明顯，作者以電化學(xué)阻抗譜的實部為參數(shù)進行分析。從圖5a不難看出，無約束電池是快速達(dá)到EoL，80%附近的阻抗都未檢測到。穩(wěn)定約束電池在低頻區(qū)能觀察到明顯的阻抗“噪音”（圖5b）。而從圖5c和圖5d中可以看到六變形元素約束和四彈簧恒力約束實部呈現(xiàn)均勻增長。從全頻率看，實部的最低值出現(xiàn)在f≈102-103Hz范圍，且在該頻率范圍四種約束形式的阻抗譜實部差異顯著。作者根據(jù)如下公式對實部最小值進行了歸一化處理，引入?yún)?shù)NGM(Normalized-Global-MinimumoftheRealPart)。

圖6.四種不同約束條件下電池NGM隨循環(huán)周數(shù)變化曲線

四種不同約束條件下電池NGM隨循環(huán)周數(shù)變化曲線如圖6所示。不難看出，無論哪種約束形式0-400周循環(huán)均呈下降趨勢且同SoC無關(guān)，表明NGM適合用于評價不同約束形式對電池的影響。從圖6a可以看出，在無約束狀態(tài)下，NGM在300-500周急劇上升，結(jié)果與無約束狀態(tài)PPT電阻變化相一致。圖6b顯示穩(wěn)定約束狀態(tài)NGM有一定“噪音”，但還是能明顯看到300周后NGM值穩(wěn)定上升。在六變形元素約束狀態(tài)下（圖6c），500周后NGM幾乎呈線性增長，且在1000周NGM值才達(dá)到1。圖6d顯示在四彈簧恒力約束條件下循環(huán)300周NGM降低至0.9，300-1800周NGM一直維持在0.9；1800周后NGM幾乎呈線性增長，直到達(dá)到EoLNGM值都未達(dá)到1。從以上對比不難看出，約束較好的電池NGM減小率較初始值不會超過10%。更為重要的是，相較于SoH和PPT曲線，NGM曲線在300周循環(huán)后就能觀察出不同約束方式對電池的影響差別。因此，鑒于NGM不受電池SoC和雙電層的影響，且能在循環(huán)前期就能給出清晰結(jié)論，其非常適合用于判斷不同約束方式的優(yōu)劣。