锂电池安全如何破局？原位膨胀力测试助力技术研究

近年来，“双碳”目标成为全民共识，能源转型深入推进，锂离子电池作为重要的新能源技术，广泛应用于生活日常，汽车、电脑、手机等都有锂电池的存在。

当前，锂离子电池技术面临诸多挑战。

锂电池失控自燃引发的火灾事故频发，给生命财产安全带来危害。

（2024年6月，韩国电池工厂发生严重火灾，初步调查显示锂电池快速起火引发工厂火灾）

研制更安全、更高能、更低廉的电池技术，具有重要的经济效益和社会效益。

锂离子电池热失控预警主要是通过监测电池温度的变化和内部气体的产生。

科学研究发现，锂离子电池在发生冒烟、燃烧甚至爆炸之前，其壳体会发生明显的膨胀形变，电池内部的压力明显变化。

也就是说，电池膨胀比气体溢出发生得更早。

因此，展开研究锂电池膨胀行为研究，总结造成锂电池膨胀变形的原因，对于优化锂电池材料结构安全性，开发锂电池热失控预警系统具有重要意义。

锂电池膨胀的原因

01、可逆形变

在充电过程中，由正极材料发生分解反应产生的锂离子在电场力的作用下扩散至负极，并嵌入负极材料中，反应过程如下所示：

锂离子的嵌入与脱嵌对碳材料的影响更为突出，因此负极材料的体积变化大于正极材料，导致锂电池在充电过程中发生体积膨胀，但是放电过程中，锂离子又从负极材料中脱嵌，经过隔膜，在电场力的作用下返回正极材料，随后与材料上的电子结合，重新嵌入到正极材料中，使电池厚度变小。

在锂电池的使用过程中，由于此反应的存在，因此可以进行多次的充放电过程，因此此膨胀为可逆形变。

02、不可逆形变

研究表面，造成电池不可逆形变的原因可分为两类：SEI膜的生成增厚、充放电副反应导致内部产气膨胀。

电池在充放电的过程中，负极与电解液会发生不可逆的反应，生成SEI膜，用于保护负极材料且不影响锂离子通行，但SEI膜并不能够完全阻止负极与电解液的反应，随着反应的逐渐进行，SEI会逐渐增厚，同样导致了电池的不可逆形变。

锂电池在充放电的过程，会在一定程度上发生一些副反应，包括电解液的分解，电解液与水的反应，产生CO2、H2、O2与烃类气体，使电池的体积发生了不可逆形变。

03、压力对电池的影响

此外，锂电池通常以多块电芯串并联组成电池模组，需要用一定的压力固定锂电池，适当的压力可以使得电池内部正负极极与隔膜之间接触紧密，提升电池充放电反应界面，降低电池内阻与极化，从而使得电池的循环稳定性与高倍率充放电性能得到提高。

压力过低会使得电极反应面积降低，反应界面恶化，电池内阻与极化提高，电池容量降低，在长循环后还会导致电极材料从集流体上脱落，严重影响电池寿命。

压力过高会破环电极材料与隔膜的孔隙结构，反应界面恶化，电池内阻增肌，从而造成电池容量的迅速衰减，严重时还会造成电池内部短路，产生热失控等的风险。

因此，通过研究锂电池正常充放电情况下的膨胀力变化，了解电池在不同条件下的膨胀特性，可以对电池结构等方面进行设计与优化，提高电池的安全性。对于电池的性能、安全性以及设计优化等方面具有重要意义。

SFT-3000 原位膨胀力测试仪

产品应用：材料评估、析锂分析、电芯结构评估、工况评估

技术特点：

多种电池形态、多种测试模式 、多种电池夹具

配合充放电系统实现原位测量

配合阻抗测试仪评估电池系统

集成化软件系统实现多参数耦合测量

技术背景

SFT-3000原位膨胀力测试仪高度集成了电池充放电、温控箱体、膨胀测试等多个模块，能够在电池充放电工况下，进行多种测试模式下的，不同形态电池的膨胀行为评估，为电极材料研发和膨胀机理的分析研究提供真实可靠的数据支持。