許多熟悉棱柱形鋰離子電池結(jié)構(gòu)的人會(huì)說(shuō)它會(huì)呼吸。充電和放電會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部組件的溫度、電化學(xué)和力學(xué)變化，進(jìn)而改變內(nèi)部壓力。當(dāng)制造商試圖創(chuàng)造一種高效、輕便且安全的產(chǎn)品時(shí)，設(shè)計(jì)師密切了解這些特性至關(guān)重要。

無(wú)論是哪個(gè)行業(yè)、消費(fèi)電子產(chǎn)品或儲(chǔ)能系統(tǒng)等，用戶都要求更輕、更緊湊、能量密度更高且充電速度更快的電池。在發(fā)生災(zāi)難性事件時(shí)，它們也必須是安全的。這些功能通常會(huì)發(fā)生沖突，找到平衡點(diǎn)并保持成本競(jìng)爭(zhēng)力可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。

在考慮電池的材料和結(jié)構(gòu)時(shí)，評(píng)估壓力動(dòng)態(tài)對(duì)于保持材料間距、控制放氣和防止過(guò)度膨脹至關(guān)重要。

什么是壓力映射？

即使在相對(duì)平坦的表面之間，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)界面壓力分布在峰值壓力的局部區(qū)域內(nèi)通常并不均勻。壓力映射技術(shù)可幫助設(shè)計(jì)工程師深入了解可能影響設(shè)計(jì)和質(zhì)量的領(lǐng)域。

如圖 1 所示，壓力映射系統(tǒng)由三個(gè)組件組成——傳感器、掃描電子設(shè)備和軟件——以其他方法無(wú)法提供的方式提供實(shí)時(shí)、可操作的數(shù)據(jù)。

圖 1：設(shè)計(jì)師和工程師使用壓力映射系統(tǒng)（如上圖所示）來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)配合表面之間的界面壓力。

傳感器是一個(gè)壓阻傳感點(diǎn)陣列，用于測(cè)量傳感區(qū)域的壓力分布。傳感器將壓縮壓力負(fù)載轉(zhuǎn)換為阻力的變化。

傳感器通常有大約 2,000 個(gè)感應(yīng)點(diǎn)，但有些傳感器可以設(shè)計(jì)有超過(guò) 16,000 個(gè)感應(yīng)點(diǎn)。

傳感元件間距（間距）可窄至 0.64 毫米（0.025 英寸）。

傳感器可以測(cè)量高達(dá) 25,000 PSI (172 MPa) 的壓力范圍

高達(dá) 200°C (400°F) 的高溫傳感器選項(xiàng)

掃描電子設(shè)備從傳感器收集模擬數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

可用掃描速度高達(dá) 20,000 Hz

該軟件顯示傳感器區(qū)域的實(shí)時(shí)活動(dòng)，允許用戶查看力、壓力、接觸面積和計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)。

一種由研究支持的測(cè)量壓縮堆疊應(yīng)力的方法

雖然許多制造商在制造過(guò)程中努力保持穩(wěn)定的堆棧結(jié)構(gòu)，但許多制造商并未將堆棧壓力作為其質(zhì)量程序的一部分進(jìn)行驗(yàn)證。此外，許多人沒(méi)有量化電池充電和放電時(shí)電池組上的內(nèi)部應(yīng)力。

在 2013 年普林斯頓大學(xué)的一項(xiàng)研究1 中，研究人員發(fā)現(xiàn)高堆壓力“對(duì)長(zhǎng)期電池性能有很大影響，更高的壓力水平會(huì)導(dǎo)致更高的容量衰減率?！?當(dāng)陽(yáng)極和陰極分離時(shí)，顯著的內(nèi)部壓力會(huì)導(dǎo)致塑性變形、分層和內(nèi)部阻抗增加。雖然較低的堆棧壓力提供了更好的長(zhǎng)期性能，但當(dāng)壓力過(guò)低時(shí)仍可能發(fā)生分層。

尋找住房壓力的“甜蜜點(diǎn)”成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。稱重傳感器夾具可以表征電池組件上的平均壓力。雖然這項(xiàng)研究成功地測(cè)量了循環(huán)測(cè)試中的平均壓力，但壓力映射技術(shù)為工程師提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，可以更深入地了解該應(yīng)用并識(shí)別特定的壓力區(qū)域。

一種測(cè)量電池組應(yīng)力的新模型

薄而靈活的傳感元件陣列提供了幾乎任何兩個(gè)表面之間不同壓力的綜合數(shù)據(jù)。如圖 2 所示，在電池充電/放電循環(huán)測(cè)試的情況下，可以將 0.01 毫米厚的傳感器包裹在電池周圍以提供 360o 視圖。

圖 2：該模型展示了電池設(shè)計(jì)人員如何使用壓力映射技術(shù)來(lái)測(cè)量鋰離子電池充電和放電時(shí)產(chǎn)生的壓力。薄而靈活的傳感器幾乎可以安裝在任何固定裝置或電池類型之間。

通過(guò)壓力映射，研究人員和電池設(shè)計(jì)人員可以獲得豐富的評(píng)估工具，并深入了解不同使用參數(shù)對(duì)其設(shè)計(jì)的影響。這些研究幫助設(shè)計(jì)師找到了滿足他們需求的正確材料和最佳結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生了具有可重復(fù)結(jié)果的更好設(shè)計(jì)。

壓力映射已被用于評(píng)估數(shù)千次充電和放電循環(huán)期間的壓力分布的多月研究——可應(yīng)用于評(píng)估電池外殼材料的原則。

圖 3 顯示了來(lái)自長(zhǎng)期電池充電/放電循環(huán)測(cè)試的 5 小時(shí)段的數(shù)據(jù)?；谶@些短期結(jié)果，在充電和放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生明顯的界面壓力動(dòng)態(tài)，包括電池上在充電過(guò)程中顯示出過(guò)大壓力的特定區(qū)域。?

圖 3：五小時(shí)充電/放電循環(huán)測(cè)試示例。頂部的兩張圖片顯示了放置在夾具中的電池，而屏幕截圖顯示了壓力輸出。

該技術(shù)還被用于評(píng)估外殼設(shè)計(jì)或在沖擊測(cè)試中識(shí)別電池上的脆弱位置。

在嘗試優(yōu)化本文中描述的特性時(shí)，設(shè)計(jì)人員永遠(yuǎn)不應(yīng)損害其產(chǎn)品的安全性。充電期間溫度升高導(dǎo)致鋰化，從而導(dǎo)致放氣。電池中額外氣體的內(nèi)部壓力會(huì)導(dǎo)致外殼或隔板失效，從而導(dǎo)致熱失控反應(yīng)。

壓力映射技術(shù)成為幫助工程師識(shí)別棱柱形電池幾乎任何位置的局部壓力區(qū)域的重要方法，從而導(dǎo)致更好的設(shè)計(jì)決策和更持久的技術(shù)。

審核編輯 黃昊宇