尊敬的各位同行，大家上午好！我今天给大家介绍一下清华新能源动力系统团队电池安全研究进展。我们清华的团队大概分为3个板块，其中一个板块就是动力电池与电化学储能系统，另外有燃料电池、电解水制氢、氢储能、智能动力和智慧能源，我们也分别设立了4个中心。储能、氢能、智能三位一体。今天主要介绍动力电池的一部分内容，就是关于电池热失控与热蔓延方面的研究。![]()
图为大会主席、中国科学院院士欧阳明高作主旨发言
首先介绍一下电池安全实验室。这是清华大学校内的电池安全实验室，大概十多年前建立了这个实验室，现在总人数超过100人，包括校本部以及宜宾中心。这里有很多自制设备，我们自己也开发一些专用的设备，比如专门测试热失控的燃烧弹，测试热失控里面喷发的所有过程，传统没有专门的仪器，我们专门设计了这种仪器，现在有很多厂家已采用。我们的宜宾中心在四川，当地投资2亿元建立的电池安全实验室，现在一期已经建成，正在建第二期。宜宾基地也有多尺度的表征和计算手段，应该说是全方位的。我经常说现在科研就是一个靠“看”，一个靠“算”，有了这两个工具，我们就可以跨学科。不仅多尺度的都可以进行计算，也提供整个设计服务，从仿真设计到样品开发，到测试验证，最后交出整个研发的样品。我们目前组成了一个团队在做这个，包括制造工艺，全产业链的通过智能化的设计开发手段，我们都提供服务。清华电池安全实验室这些年来跟全球各大厂商在电池安全方面都有合作，主要的汽车厂、电池厂都有合作。大家知道现在储能领域电池安全比电动汽车潜在隐患更严重，所以国家已经设立了储能电池安全监控平台，我也是监控平台的专家委员会主任，我们也在跟国家市场监管总局在筹建联合研发中心，因为很多安全的调查是我们在协助进行，同时在学术上，我们在电池热失控这个领域，在全球是发文量最大的一个课题组，我们在电池安全方面有3个人获得全球高被引科学家。下面介绍一下电池安全实验室重点做的事情，主要就是从电池热失控的全过程，包括它的诱因、热失控的发生，以及热失控在整个电池包的蔓延过程，这是我们重点做的，所以我们有三项技术，从应对热失控诱因，我们主要是主动安全技术，热失控发生方面是本征安全技术，还有热失控蔓延，我们采用的是被动安全技术。现在我们也从电池安全逐步发展到安全电池的开发，本征安全我们现在主攻硫化物的全固态电池，我们认为本征安全的最终目标是全固态电池，所以现在我们有80人在做全固态电池。另外一个就是被动安全，我们现在聚焦储能电站，储能电站对被动安全要求特别高。主动安全方面我们正在开发的是下一代的智能电池。下面我从本征安全、主动安全和被动安全三个方面介绍一下我们的进展。我们做电池安全是从被动安全起家的，本征安全因为涉及到材料和化学比较多，所以我们是后上的本征安全。本征安全第一个成果是在2018年发表的，也就是从那个时候，我们开始热工、电工、化工材料的全方位学科交叉，所以现在在我们电池安全实验室有20个学材料的博士后，专门从事材料相关的工作。这是我们最开始往材料交叉的一个成果，我们发现传统的电池一般认为是内短路导致的热失控，但事实上我们发现在高镍三元并不是内短路导致的，我们发现是正极相变产氧，氧气串到负极剧烈氧化还原环境形成热失控，我们第一次在《焦耳》上发表文章，就解释了这么一个机理。在此基础上，我们5年来以811电池为代表的高镍电池全过程机理做了展示。对一个电池来讲，热失控的自失热起始温度T1到触发温度T2，到最高温度T3，这个过程究竟是怎么形成的，我们发现首先是T1由于负极跟电解液反应生成还原性气体，还原性气体从负极窜到正极，攻击正极的晶格引发相变然后产氧，氧跟电解液里面的EC反应，所以引起温度上升，形成T2。T2中间有一部分是在征集跟电解液反应，还有很大一部分就到了负极，窜到负极之后形成串扰反应，正负剧烈反应，形成T3。就是这么一个完整的过程。针对这个过程我们开发了一系列的热失控的热抑制方法。比如说针对正极的失氧，我们要提高正极的热稳定性，就是正极包覆。然后正极跟电解液里面的EC反应，就要去掉EC，所以开发了EC-free电解液。现在国内有的厂家已经开始使用我们的成果。如果它要往负极串扰的话，它需要经过隔膜，我们再把隔膜做成一个高安全的隔膜，防止它的串扰。当然我们不可能把全部串扰都隔绝，最后还有一些到负极形成剧烈的反应，提高温度到T3，那我们怎么办？最后就是电解液里面的阻燃电解液添加剂，来抑制我们的最高温度T3，T3就可以通过这个方式降低超过200度。当然这都是后期的，也就是T2到T3，实际上我们更重要，最新的发现是，光从T2到T3，这是只能通过设计，但是T1到T2这个时间是比较长的，所以T1到T2就是从自身的反应到热失控发生时间，是比较慢的，这个时间我们可以进行调控，不光是进行设计。所以我们重点研究了T1到T2这个过程，这个热积累过程，如果我们能把它打断，它就不会走到T2。到了T2就不可能调控了，只能通过我们刚才说的那些设计的手段。怎么能够把它打断？我们就要分析它的机理，T1到T2这个环节我们发现还原气体攻击失效的机制。大家看到我们各种材料热量释放的图，这是正负极加电解液在一块的，模仿实际的电池，可以看出在低温有一个产热风，我们发现这个产热风形成了大量的还原性气体，包括了氢气、CH4、HF等等。这些气体到了正极之后，诱导了正极从成像到尖晶石的相变，我们找到了内部呈现尖晶石相，层状结构后移等等证据，但是要分析它为什么会这样。所以我们又进一步分析，这些成份是很多的，究竟是什么成份在这中间起了关键作用，所以我们又专门对各种气体来进行分析，比方说嵌锂负极在电解液受热的过程，产出下面这些气体，然后我们把这些气体再放到正极这边，正极放在不同的还原气体中间，看那种产生的正极的热流量最大、产生得最早。我们发现了一个规律，我们针对性地对这些气体进行调控，就有了不同的调控方案。可以电调控，也可以用毒化层把这些气体吸收掉，也可以把气体排出去。这就是我们采用的几种方法。比如这是没有调控的，这是三种调控的，基本上都没发生热失控。其中比如强制排气，就要搞一个智能的排气阀，对于电调控，如果有双向充电桩，就可以搞电调控，就是说要放点电。既可以充电，又可以放电，只要放电能够控制，就可以把这个问题解决，所以我们现在重点发展这两种。当然毒化层主要是放在集流体上，这三种技术我们都在发展，现在的复合集流体我们可以放进去，也可以做智能的排气阀，也可以做电调控。这是关于高镍三元电池。下面再说说磷酸铁锂电池。一般认为磷酸铁锂电池是比较安全的。本质上对于小的磷酸铁锂电池的确是这样，但是大的容量，像320安时的电池，它的内部温度可以超过800度，一般是三四百度，但是对于大安时的电池可以超过800度，这就超过了磷酸铁锂正极分解的温度，在一般情况下正极磷酸铁锂对小安时是不分解的，所以热失控不剧烈，但是大安时是可以的，而且它产生大量的可燃的电解液的蒸汽，这跟高镍三元是不一样的。对于小尺寸的电池，的确它的温度是不高的，因为中间有一个链式反应，它有一个隔断，正极是不在这个范围的，我们的正极材料基本上到500度以上才可能出现分解。但是对一个大安时电池就可能突破，跨越这个隔板，引起正极材料的分解，这就有可能到达700—900度，这是很重要的，我们现在的储能电池基本上都是300安时以上，还是很危险的。我们看磷酸铁锂的产气，它产生的氢气慢慢增加，随着SOC的增加，氢气到50%以上，这也是非常危险的。另外我们比较一下两种电池，磷酸铁锂电池和三元电池的燃爆风险，磷酸铁锂电池的燃爆指数是三元电池的两倍，这跟大家的认知不太一样，三元电池是自己容易热失控，自己把自己点着，磷酸铁锂电池自己点不着，但是它的气体爆炸的风险比三元电池要高，一旦在外面遇到火花它是更危险的。下面说一下主动安全。我们主动安全是一个全过程的智能化管理，从智能制造如何来防止它的缺陷，如果还有缺陷，我们对缺陷进行研究，然后我们要做智能电池+传感器，再加上机器学习、人工智能。首先是制造反馈上，防止各种缺陷电池，比如异物、杂质、撕裂、褶皱、极膜的对称不良，这也是我们跟国内某知名厂商合作的，在生产线上分析各种缺陷，尤其是缺陷演化的机理，这一点很重要。演化的过程中间，它怎么产生枝晶，枝晶怎么生长，我们都对它进行了观测和数字仿真。我们通过这些方法首次复现了以前一直闹不明白的突然死亡型热失控，这是没有任何征兆，比方一辆电动车没有任何征兆突然就热失控，我们发现了还是以缺陷演化导致的。在此基础上，我们开发了基于人工智能的在生产线上的电池缺陷检测平台，传统的质量检测基本上只能检出6%，我们能够检出90%，这也是在生产线上已经使用的。刚才讲的是制造，另外就是在使用过程中，我们开发了基于人工智能的安全预警平台。以前基于纯数据很难做到这样，所以我们利用了AI的学习算法，这是我们的第一代平台，让我们的检出率达到93%，误报率大概在8.6%，这是我们的第一代。在此基础上，我们实现技术突破，开发了电池领域首个面向电池时序数据的大规模预训练模型，也就是电池的大模型，这是我们所基于的数据，我们的参数量现在在1000万个参数，当然跟GPT还没法比，因为我们这是一个子领域的大模型。基于这个模型，我们又开发了电动汽车安全预警平台2.0，现在在储能、电动汽车、充电桩等等领域都有应用。在这方面现在的误报率已经降到0.1%，预警的时间可以达到150天，这是我们的平台规模，现在正在进一步扩大。还有更深入的就是要做电池的传感，所谓智能电池，这个当然比前面的难度更大，电池传感的部分常规的有温度、电流、电压，但是这是不够的，所以我们认为最重要的传感就是电位传感，也就是说只有电压是不够的，最重要的是要找到负极的电位，如果负极的电位能反馈，很多事情都可以解决，比如说析锂，它就是完全跟电位直接相关的，如果我们要让它不析锂，还要把析锂能够调回去，对析锂进行调控，必须反馈电位。所以我们开发了在隔膜上做电位反馈，这是第一代，我们是用一个超细的探针放进去，刚开始它的寿命很短、误差很大，根本就不能用，在实验室用几个小时是可以的，但是做产品是没法用的。到了第二代就是多孔的长寿命产品，它的阻隔效应比较大，会对电池的性能有所影响，到第三代就是薄膜的低阻隔的，这个阻隔效应很小，但是功能还是比较单一，所以我们正在开发第四代面向产品化的膜电极。我们比较创新的是用柔性材料，以前的三电极都是用的金属，我们没有用金属，而是用柔性的有机材料。（见PPT）这是实测的结果，寿命可以达到30万公里，也就是说可以做到跟车等寿命。我们不仅可以单点反馈，还可以面上反馈。这就是我们新做的一些东西，这次在世界动力电池大会上还会展出我们的东西，最终的目标就是要做整个的智能电池，包括无线BMS、自研的芯片，这次也会展出。肯定不能有线，因为从里头往外送信号，不可能把线插进去，这都是无线的。最后一部分是被动安全的研发，这是我们做得最早的一部分。被动安全研发包括我们参与了大量的事故调查和事故分析，以及在这个基础上的热失控以及热蔓延的仿真模型，以及我们最后来改善被动安全的热管理，包括隔热、散热等等，下面我分别介绍一下。我们知道去年在北京大红门发生了一次很大的储能电站安全事故，烧死了3个消防队员，这件事情是国内储能电站发生事故最严重的一起，我们在第一时间就参与了这个事故分析，通过仿真、研究，我们反推了整个事故发生的过程，我们发现首先是在南楼有漏液，主要是短路。漏液起火过热、内短路，发生热失控，大量的电解液分离的比空气重的组分，通过地下的通道蔓延到北楼，由于北楼有火花，我们认为一般是电弧拉弧引起的火花，因为这里面有大量的氢气，最后就爆炸了，引爆的原因是电器火花。为什么电器火花这么容易出现？我们后来也分析了，待会儿我给大家介绍。在此基础上，我们也来研究储能电池的蔓延特性，我们从中间发现，跟三元不一样，三元是喷出大量的固体颗粒，磷酸铁锂基本上都是释放气体，三元的颗粒会摩擦电池箱，它自己就会产生火花。但是磷酸铁锂电池一般自己并不产生多少火花，它主要是出来气体，有明火的时候就会触发热蔓延，而三元是自己就热蔓延了，两者是不一样的。所以我们研究这个火花就很重要，我们对各种各样的火花都进行过研究，比方说电池放在水下，它也可以烧，以前我们觉得不可思议，怎么电池包放水下它还会烧，实际上这里面都是电弧拉弧导致的，在不同的介质中间拉弧不一样的。在测试的过程中发现还有颗粒物诱导击穿电弧，一旦有烟气在这里面，临界击穿电压会大幅下降，就不是我们常规的击穿电压。常规击穿电压一两百伏是击不穿的，但是在烟气环境下，它的击穿电压会大幅下降，这样就会导致火花。所以从设计角度，我们就做了一个Map图，就是安全的电压范围是什么，临界的击穿电压随着我们的间隙的大小、颗粒物的大小是变化的。这是击穿电压的等高线，可以通过这个方式来设计出安全的防电弧的电器系统，这一块我们也是跟厂家合作的。下一步是对整个热蔓延的过程进行仿真和测试，比方说这是一个储能电池箱正箱的热蔓延过程，我们装了大量的传感器，找到它蔓延的规律，比如说刚开始顺序蔓延，然后交替蔓延，然后再同步蔓延、倒序蔓延，它有它的规律，在此基础上可以进行仿真。这是我们对一个集装箱电池包的仿真，通过这个仿真来设计热管理系统。另外就是车用电池包，我们也装上传感器来做研究，看它是怎么蔓延的，整个过程我们都把它测出来，测出来之后就可以仿真，比如说电池包的仿真，这个地方很薄弱，电池的温度会把电池箱的盖子烧穿，这一块我们就要加强。左边是仿真的，右边是实测的，跟我们仿真的位置是一样的，这样我们就可以在薄弱的地方进行加强。当然我们还要想办法隔热、散热等等，我们就开发了防火墙技术，我们有第一代、第二代、第三代。一般简单的隔热对于低比能量电池是可以的，但是对高比能量电池光有简单的隔热不行，所以我们开发了新的纳米纤维基底的耐高温的隔热材料，它可以承受1300度的高温，而且很薄。同时，光有隔热不行，我们还有一个相变的材料，既隔热又散热，它可以吸热。在此基础上，我们做了实验，比方说传统的隔热，这是我们新加的隔热+散热，完全不会爆燃，对811以上的电池绝对是安全的。三星电机正在研究开发和制造针对 IT 设备的氧化物固态电池。同时，关联公司三星 SDI 计划专注于陶瓷硫化物固态电池。该公司计划在今年第二季度内开始运营一条电池试验线。简单来说，固态电池使用固态电解质，而不是目前商业化电池中的液态电解质，而且这也意味着它不需要隔膜，从而大大降低了电池起火的可能性，同时也增加了电池的能量密度，使它们能够支持更长时间的使用。![]()
IT之家查询发现，目前业界对固态电池的研究主要集中在陶瓷（硫化物和氧化物）和聚酰亚胺类型上，而有些则结合了这两种材料。消息人士称，三星电机的研究重点则是陶瓷氧化物类型。据介绍，氧化物材料相对稳定且易于处理。由于 IT 产品主要是便携式设备，因此该公司将其稳定性放在首位，这也意味着它们可以更容易地进行批量生产。锂离子电池膨胀对于电池的寿命会产生明显的影响。在充电过程中Li+在负极中获得电子还原成锂嵌入石墨负极的层状框架结构时，会形成锂碳合金，从而使石墨电极厚度增加；在放电过程中，锂失去电子形成锂离子，并从空穴中逸出石墨层，此时，底片的厚度电极片相应减少。在首次充放电时，负极表面会形成一层固体电解质界面（SEI）膜，在后续的充放电循环过程中，SEI膜因遭到破坏后会再形成新的SEI膜，这将导致石墨电极不断地膨胀。由于极化现象，锂离子不能被完全激发嵌入石墨层，因此锂离子在负极表面会还原形成锂枝晶。放电过程时，在大电流作用下，靠近负极表面的锂优先进行氧化脱附，导致枝晶锂的断裂，形成“死锂”，因此，锂离子电池的膨胀程度会随着充放电过程的进行逐渐增大。电池膨胀的另一个重要原因是电池内部的气体释放。无论电池处于常温或高温环境，在充放电过程中都会发生膨胀。膨胀的原因可能是锂离子电池在充放电过程中电解液分解产生气体。在本工作中，来自宁德时代（CATL）的研究人员和中南大学焦飞鹏教授团队共同合作，一方面验证了不同极片数对电池膨胀力的影响，然后组装成电池模块来研究电池膨胀的差异性及其相应模块的作用力和膨胀力对电池和模块寿命的影响；另一方面，研究了溶液的膨胀度对电池模块设计的影响。可以通过实验去计算模块的抗拉强度，模拟模块的膨胀力。最后通过电池模块的充放电循环中产生的膨胀力，可以得到了模块内部的应力分布，从而确定电池模块结构是否存在漏洞和整体强度是否能够满足模块膨胀带来的压力。研究结果对电池系统的设计具有一定的指导意义。试验方法
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图1. 实验电池及模块示意图：(a) S40电池，(b) S60电池，(c) S40_1P6S模块，(d) S60_1P4S模块。
为了研究由不同数量的电极片组装而成的电池和模块的循环膨胀行为的差异，使用三元正极材料Li-Ni0.5Co0.2Mn0.3O2（NCM523）和负极石墨制备了电极片，并分别用40个电极片和60个电极片组装方形铝壳电池，分别命名为S40和S60。两种电池之间的唯一区别是电极片的数量，并且电极和方形铝壳之间的装配间隙是一致的。方壳的高度和宽度相同，电池的结构如图1a，b所示。S40电池和S60电池组装成相同大小的模块。为了在模块级别上保持相同数量的电极片，S40电池采用六个电池串联组装模块（缩写为S40_1P6S），S60电池采用四个电池串联组装模块（缩写为S60_1P4S）。模块的简化示意图如图1c，d所示。循环期间电极的膨胀和气体的产生增加了电池的内部压力，导致电池或模块的结构变形，这称为膨胀力。在我们的工作中，在电池和端板之间组装了一个压力检测装置，该装置由一个外部固定装置和一个压力传感器组成。外部固定装置由相同的金属材料制成，并具有与端板相同的尺寸，以确保检测装置不会影响电池的作用力。在循环测试期间，电池的膨胀会压缩压力传感器。可以通过压缩量和膨胀力之间的转换来量化模块和电池的膨胀力。为了研究不同电极片数的电池引起的循环膨胀力的差异，S40-1P6S模块和S60-1P4S模块的长度保持在355mm。每个组件的厚度如表1所示。要获得电池和模块的膨胀力数据，必须进行循环测试并记录数据。电池循环的夹紧装置可以模拟模块中电池的状况；也就是说，为电池的每个前表面预留了一定的间隙：S40电池之间的间隙为2.4mm，S60电池之间的间隙为2 mm。在25°C的温度下以1C/1C的充放电电流对这两个电池进行了测试。将模块的循环直接置于25°C的恒定温度下进行1C/1C充放电循环测试。在整个过程中，使用压力传感器检测电池和模块的膨胀力数据。当在设计模块之前获得膨胀力数据时，可以通过模拟模块的膨胀力来计算模块寿命终止时的应力分布，从而提前确定模块各组成部分的强度。符合设计寿命要求。该模拟软件是ABAQUS。模块的三维（3D）模型应形成网格，并通过ABAQUS建立模块与包装之间的连接；然后，将膨胀力参数和材料特性输入到软件中。最后，ABAQUS消除了模块中零件的应力。
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图2. 电池容量衰减和膨胀力
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图3. 电池充电和放电曲线，（a）S40，（b）S60。S40电池和S60电池在25°C下进行循环实验，并记录了循环过程中的溶胀力以及充电/放电过程。得到的相应曲线如图2和3所示。从图可以看出，S40电池和S60电池的容量衰减趋势在大约1000次循环之前基本相同，并且膨胀力的增长也显示出一致。在此期间的趋势。在相同温度下，不同数量的相同设计的电极片组装而成的电池的循环容量衰减趋势和膨胀力增长几乎相同，并且不受电极片数量的影响。此时，电池中电极的溶胀可能仍在电极片和铝壳之间的保留间隙内，并且没有明显的硬溶胀。随着周期的增加，经过约1000次循环后，S60电池容量的褪色趋势比S40电池快，并且膨胀力的增长趋势也加快了。在电池循环的最后阶段，由于S60电池具有更多的电极板，因此电极板的硬溶胀和产气量比S40电池更多。两块电池中的电极片和铝壳之间的间隙相同，因此，S60电池的膨胀首先超过了保留的间隙，并且膨胀力在最后一个阶段上升得更快。同时，因为在膨胀力的作用下，锂离子的传输受到限制，并且电池的内部阻抗也增加，从而导致电池更快的容量衰减.可以看出，当电极和铝壳之间存在间隙时同样，具有更多电极片的电池的膨胀力在循环达到一定阶段后更快地增加，并且膨胀力的加速也导致容量衰减。
模块的膨胀力分析
模块的设计不仅应承受由外部振动和冲击引起的损坏，还应承受由电池产生的膨胀力所引起的应力。为了研究带有不同数量电极片的不同电池模块的膨胀性能，将S40电池和S60电池组装成相同长度的模块。由于S60电池的厚度和容量是S40电池的厚度和容量的1.5倍，为确保两种类型的模块的长度和水平相同，将S40电池组装为1P6S模块，而S60电池则被组装为1P6S模块。组装成1P4S模块。就模块的内部结构设计而言，每个S40和S60电池的前表面之间的间隙分别为2.4和2 mm。S40_1P6S模块的电池之间的总间隙为12毫米，而S60_1P4S模块的电池之间的总间隙为6毫米。
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通过循环实验对这两个模块进行了测试，并同步监测了来自模块端板的容量衰减和膨胀力变化。从图4可以看出，两个模块的容量保持率随溶胀力的增加而降低，这再次证明了溶胀力导致容量衰减。在早期，S60_1P4S模块的膨胀力几乎与S40_1P6S模块的膨胀力相同。但是，经过约400个循环后，上升速度明显快于S40_1P6S模块的上升速度，并且随着膨胀力的增加，S60_1P4S模块的容量衰减速度也加快了。第一个原因可能是S60_1P4S模块中的总保留间隙小于S40_1P6S模块中的总保留间隙，因此电池的总溶胀空间较小，并且端板上的溶胀力较大，因此溶胀力也较大更大。另一个原因是，根据之前的电池膨胀力分析，在S40和S60中电极与铝壳之间的间隙是相同的，并且电极片的数量越多，最后一个时期的膨胀力就越大。因此，S60_1P4S模块的膨胀力在400个循环之后会更快地增加。因此，由于S60_1P4S模块具有更大的膨胀力，且电池中的电极片更多，因此需要提高每个结构组件的强度，以确保模块在整个设计寿命中都是安全耐用的。另一方面，为了提高循环寿命，需要在模块中的电池之间设计更大的间隙，这可以减小膨胀力并改善循环寿命。但是，通常没有足够的空间在模块中保留较大的间隙，因此应同时考虑膨胀力和间隙。模块设计的仿真分析
仿真对于缩短产品开发周期，提高开发效率和质量具有重要意义，这在电池产品设计阶段起着非常重要的作用。对不同数量的电极片和模块的膨胀力电池特性的研究表明，膨胀力不仅影响电池的容量，而且影响模块的结构安全性。先前的研究表明，电池的膨胀力将随着容量的减小而增加，这可以指导模块的设计。因此，电池的膨胀力可能在将电池组装成模块后，例如端板和侧板，对模块的其他结构部件造成一定的损坏。为确保模块的结构在整个生命周期中不会因电池膨胀而损坏，研究模块中电池膨胀所产生的膨胀力尤为重要。本文基于先前的膨胀力数据，通过仿真来评估模块设计的结构强度是否满足要求。主要评估模块的端板，侧板和端侧板焊缝的强度是否可以承受模块的膨胀力。在S40_1P6S和S60_1P4S模块上进行了膨胀力模拟，并评估了由于模块膨胀而导致的端板，侧板和端侧板焊接处的应力。比较了模块设计的强度失效阈值，以评估设计的强度值是否可以承受生命周期内模块中所有电池的膨胀。
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图5. 模块膨胀力仿真：(a−c) S40_1P6S模块仿真，(d−f) S60_1P4S模块仿真。
图5a-f中显示的模拟结果是S40_1P6S和S60_1P4S模块的端板，侧板和端侧板焊缝上的应力值。同时，如表2所示，仿真还可以计算膨胀后整个生命周期（EOL，1000个循环）中模块的长度变化。根据仿真结果，S60_1P4S模块的端板，侧板和焊缝上的溶胀力大于S40_1P6S模块的溶胀力。端板的模拟应力值为370.84 MPa，S40_1P6S模块的端板失效阈值仅为215 MPa，不能满足S60_1P4S模块的端板强度设计要求。因此，S60_1P4S模块的端板设计具有380 MPa的故障阈值。通过对两个模块的溶胀力的仿真分析，还可以证明，当电极与铝壳之间的间隙相同时，电池中的电极片越多，模块中的溶胀力就越大。因此，如果采用具有多个电极片的电池，则将需要更高的模块结构强度。在包装结构的设计中，有必要为模块考虑更大的膨胀空间。从以上分析可以看出，S40电池，S60电池和S40_1P6S模块，S60_1P4S模块的膨胀力的分析结果可以有效地指导模块设计，包括端板，侧板，焊接强度，模块布置等，在包装设计中起着重要作用。
结论
本次工作研究了在充放电过程中电池膨胀对电池模块和电池系统的影响。研究表明，电极片数越多，膨胀力越大，膨胀速度越快，在1000次循环后容量发生衰减。这表明电极片的数量越多的电池，在相同大小的模块电池中产生的膨胀力越大。因此，每个结构组件都需要设计更坚固，确保模块安全可靠经久耐用。具有更多极片的模块电池因其膨胀力较强，会导致电池的容量更快衰减，故应多保留保护模块来免受膨胀力过高以提高产品寿命。
参考文献：Swelling Force in Lithium-Ion Power Batteries；Yongkun Li, Chuang Wei, Yumao Sheng, Feipeng Jiao,* and Kai Wu*..Ind. Eng.Chem. Res
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