電化學膨脹：鋰離子的“空間爭奪戰”鋰離子在充放電過程中嵌入/脫出電極材料時，導致材料晶格結構變化。石墨負極膨脹率約10%，而硅基負極可達300%。例如，NCM811電芯在滿充狀態下膨脹力可達8-12 kN，而LFP電芯為4-6 kN。這種膨脹具有可逆性，但長期循環后電極顆粒的劣化（如裂紋、團聚）會引發不可逆膨脹。

產氣膨脹：電解液的“隱形推手”電解液分解產生的氣體（如CO、CH?）會顯著增加內部壓力。高溫環境下產氣速率可達0.1 mL/Ah·cycle。首次充放電形成的SEI膜在修復過程中持續消耗鋰離子并產生氣體，導致膨脹力動態變化。

溫度效應：熱膨脹的“蝴蝶效應”鋁殼（膨脹系數23.1×10??/°C）與電芯內部材料（1-5×10??/°C）的熱膨脹系數差異，在溫度波動時產生應力集中。例如，快充（2C）導致的溫升會加速硅碳負極電芯膨脹力至15-20 kN。

從結果來看，主要分為可逆膨脹和不可逆膨脹兩種情況：

其他情況，如SEI膜的增厚：

二、模組預緊力設計的“三重防線”

機械拘束：剛性與彈性的平衡

• 端板設計：采用模量≥70 GPa的高強鋼或碳纖維復合材料，分體式框架可容納±0.5 mm的橫向膨脹位移。

• 綁帶優化：不銹鋼綁帶（抗拉強度≥1000 MPa）或玻纖增強聚合物綁帶（抗蠕變性能優），預緊力設置為電芯最大膨脹力的70-90%。某方形電芯模組采用雙側綁帶（1.5 kN/條），循環500次后膨脹力殘留率＞85%。

材料緩沖：壓力與空間的博弈

• 緩沖材料選型：硅膠泡棉（壓縮率30%時應力0.3-0.5 MPa）、EPDM橡膠（耐電解液腐蝕）可控制永久變形率＜5%。

• 隔熱材料匹配：氣凝膠氈（導熱系數≤0.05 W/m·K）與陶瓷纖維板組合，兼顧600°C耐溫和0.5 MPa抗壓強度。

動態適配：從仿真到實驗的閉環驗證

• 有限元仿真：通過Ansys或Abaqus建立電芯本構模型（超彈性/彈塑性），結合壓縮試驗數據（應變率0.01-0.1/s）優化預緊力分布。

• 實驗驗證：某案例顯示，800次循環后模組實際膨脹位移為5.028 mm（仿真預測6.92 mm），驗證了緩沖材料的冗余設計效果。

1、安全冗余機制

• 泄壓與熔斷雙保險：模組內壓＞50 kPa時觸發泄壓閥，并聯熔斷裝置切斷膨脹力傳遞路徑。

• 多級拘束系統：主綁帶承載80%負荷，輔助限位塊防止單點失效，電芯間距≥1.5 mm。

2、成本與性能的平衡

• 差異化設計：LFP電芯采用一體式端板可降本20%，而NCM電芯需分體式框架應對高膨脹力。

• 智能預緊調節：形狀記憶合金與彈簧墊片（剛度50-100 N/mm）實現預緊力動態匹配。

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