1. 摘要
在未来市场的角逐中，大圆柱电池核心优势聚焦于高安全性、卓越的高倍率充放电能力、顶尖的能量密度以及高性价比。其坚固的结构设计赋予了极高的结构刚性，这一特性曾普遍被视为在电池充放电循环中体积保持稳定的保证。然而，深入探究之下，我们不禁要问：大圆柱电池真的能做到体积纹丝不动吗？
通过精密原位测试，我们揭示了真相：以21700型号的小圆柱电池（采用三元材料体系，容量4.2Ah）为例，在0.5C的充放电速率下，其前三圈循环中的最大体积变化率仅为0.013%，几乎可以忽略不计。但当我们转向容量更大、达到33Ah的4695型号大圆柱电池（同样基于三元体系，以0.1C速率充放）时，情况有所不同——其体积变化率显著提升至0.22%，更为重要的是，这一体积变化与电池电压曲线的波动趋势紧密相随，呈现出高度的一致性。
这一发现不仅揭示了大圆柱电池在体积稳定性上的微妙变化，更凸显了这种变化与电池性能之间的微妙联系。尤为引人注目的是，大圆柱电池在体积变化量上远超小圆柱电池，差距之大，竟超过十倍之多，这一显著差异对于电池设计、安全性能评估及长期使用稳定性等方面，都提出了新的挑战与考量。
综上所述，大圆柱电池虽以其诸多优势引领行业潮流，但在追求极致性能的同时，其体积变化的特性亦不容忽视，特别是在设计优化、安全管控及性能预测等方面，需给予更为细致的关注与研究。
关键词：#圆柱膨胀#，#圆柱体积变化#，#圆柱电池原位测试#，#充放电#
2. 应用案例
大圆柱电池，如特斯拉的4680电池，在安全性、寿命、续航里程、性价比和快充等方面均具备显著优势。
电池在循环过程中体积会显著增加，固体-电解质界面（SEI）的形成和生长、热膨胀以及气体的产生，这些因素会导致电池体积膨胀。这种体积膨胀不仅在电池不同部件之间增加了内部应力，而且在电池组中的相邻电池之间也引入了压力。此外，电池经历的连续膨胀和收缩循环还增加了机械故障的风险。因此，体积膨胀是评估电池在长期使用过程中结构和容量衰减的一个关键指标。为了更深入地了解大圆柱电池的膨胀与收缩特性，对4695型号电池与21700电池对比测试，从而更准确地评估大圆柱电池的体积变化特性以及其对电池使用寿命的影响。设备测试过程如下：电池由成像系统进行成像，经软件处理输出体积变化率与电压关系变化曲线（图1）。
图1：测试过程
电池样品信息：
实验平台：IEST元能科技-CCS1300（圆柱电池原位膨胀测试系统）
测试条件：温度：25度
3. 结果与讨论
在电池测试或任何需要精确控制温度的实验环境中，确保温度均匀性是非常关键的。当前测试温度各通道温差均在25±1℃（图2）波动范围内，满足温度条件。
图2：温度测试曲线
圆柱电池（无论是21700型号还是4695型号）在充放电过程中确实会发生一定的体积变化，这是电池工作时的正常现象。然而，值得注意的是，4695圆柱电池的最大体积膨胀量（0.22%，图3）显著高于21700圆柱电池（0.013%，图4），达到了后者的10倍以上。
这种体积膨胀量的差异可能由以下几个因素造成：
电池容量和结构设计：与软包电池的柔性铝塑膜外壳不同，圆柱形电池的刚性金属外壳阻碍了内部膨胀产生的应力的释放。金属外壳和内部卷芯之间的非均匀接触会导致微小的空隙，从而导致不均匀的应力分布，如图5所示。4695圆柱电池相比21700电池具有更大的容量和更复杂的结构设计。更大的容量意味着卷芯卷绕了更多的层数，这可能导致电池的体积变化更加不均匀，电池内部应力更大，从而导致电池金属外壳更显著的变形。同时，更复杂的结构设计可能使得电池在应对体积变化时的弹性或缓冲能力较弱，从而加剧了体积膨胀的现象。
材料特性：不同型号的圆柱电池可能采用了不同的电极材料和电解液配方。这些材料在充放电过程中的膨胀和收缩特性可能有所不同，从而导致电池整体的体积变化量存在差异。此外，电池金属外壳的厚度和强度等特性也会显著影响电池整体的变形，更厚强度更高的金属壳能够承受更大的应力，产生更小的变形量。
制造工艺：电池的制造工艺也会影响其体积稳定性。例如，电极的涂布均匀性、卷绕或叠片的紧密度、以及电池壳体的密封性等，都可能对电池的体积变化产生影响。特别是电芯内部的装配松紧度（卷芯与壳体之间预留的空隙尺寸），当预留空间更大时，电池内部能够收纳更大的卷芯形变，作用在外壳上的力更小，电池变形更小。
测试条件：虽然温度各通道温差在可控范围内，但其他测试条件（如充放电速率、充放电深度、循环次数等）也可能对电池的体积变化产生影响。
图3：21700体积&电压变化曲线
图4：4695体积&电压变化曲线
图5：圆柱形电池的体积变化的机制示意图
在圆柱电池降本和延寿过程中，壳体材料选择、壳体厚度及设计强度、裸电芯与壳体间隙设计以及不同充放电倍率下的膨胀量差异都是关键因素。通过合理的设计和优化以及全面的检测方法，可以确保圆柱电池的性能和安全性得到有效提升。
4. 总结
总之，圆柱电池在充放电过程中的体积变化是一个复杂的现象，需要综合考虑多种因素来进行分析和优化。通过不断的研究和改进，期待未来出现更加稳定、安全和高性能的圆柱电池产品。
5. 参考文献
Wenxuan Jiang, Haoran Li, Sicong Wang, Sa Wang and Wei Wang，Dynamic Volumography of Cylindrical Li-Ion Battery Cells by Watching Its Breath During Cycling，CCS Chemistry. 2023;5:1308–131
