鋰電池產生的應力按照來源可分為兩部分，一部分是來自外部的機械壓力，例如來自外部的擠壓、碰撞、針刺等狀況。另一部分的應力來源于鋰電池內的擴散應力，鋰化反應時鋰離子嵌入活性顆粒，會造成顆粒體積的膨脹，而鋰離子在活性顆粒中脫出時，又會造成顆粒體積的收縮，正負極材料的膨脹特性不同會造成電池體積的變化。活性顆粒的膨脹與收縮會在電極上引起擴散應力的產生。同時電池的溫度變化會導致材料熱脹冷縮并產生熱應力。

本文通過搭建電池膨脹力測試系統測量不同工況下電池表面壓力的大小，通過相變過程中的體積變化對表面壓力特性曲線進行解釋，從而闡明電池表面壓力的變化機制。通過測量不同位置的表面壓力發現電池內部膨脹的不一致性，從而為電池組的固定提供參考。通過變溫實驗測量表面壓力，發現壓力信號的監測可以與其他指標相結合，對熱失控預警進行預判，因此對電池充放電過程中膨脹力的研究是十分必要的

1 實驗方案

1.1 實驗對象

本文選用實驗對象為20Ah磷酸鐵鋰軟包電池，正負極集流體材料為鋁和銅，電極極片采用的是層疊方式，主要參數如表1所示。

1.2 實驗平臺

如圖1所示，電池夾具主要由兩塊與實驗電池大小適合的鋁合金板組成，通過螺栓與螺絲調節施加在電池表面的壓力，固定電池的間距。在鋰離子電池充放電的過程中，當電池平面被夾具約束后，電池內部會因夾板施加的壓力而產生應力，電池內部物質發生應變來緩解所受應力，這就造成了電池體積的變化，而電池體積變化會對夾具產生擠壓力，這就會造成電池表面所受壓力的變化，表面壓力的變化反映了鋰電池內部擴散應力的變化。

實驗平臺主要由薄膜壓力傳感器、電池夾板、充放電設備、上位機和高精度信號采集器組成，如圖2所示。電池充放電設備通過上位機編寫的工況對電池進行充放電，并能記錄電流、電壓、容量等數據；壓力傳感器能夠檢測到電池受到的擠壓力變化，而安捷倫數據采集系統能夠讀取這些壓力傳感器的讀數，從而記錄電池表面壓力的動態變化。

為探究電池平面上不同位置的膨脹力，在電池平面上取一定的數量點進行檢測，如圖3所示。

1.3 實驗工況設置

1.3.1 不同充放電倍率下電池表面壓強測試

將壓力傳感器貼至電池中心，通過調節螺絲將電池表面壓力調整至100kPa。將電池放入25℃的溫箱中，分別以0.5C、1C、1.5C的倍率進行恒流恒壓充電和恒流放電，同時測量電池表面的壓力。

1.3.2 不同位置處的電池表面壓強測試

在初始壓力為100kPa的條件下測量電池不同位置的表面壓力變化。標定位置后，連接線路，將電池放入溫箱中，對于1、2號位置完成1C 三次充放電；3、4、5號位置完成0.5C、1C、1.5C各三次充放電試驗。

1.3.3 不同溫度下的電池表面壓強測試

將初始壓強為100kPa的電池放入溫度為5℃的溫箱內，靜置3h。設置溫箱以0.3℃/min的速率升溫，同時給電池施加0.5C的電流進行恒流恒壓充電。電壓達到截止電壓后立即進行0.5C放電，同時改變溫箱的運行狀態，以0.3℃/min的速率降溫直至0℃。

2 實驗結果分析

2.1 不同倍率下充放電時電池表面壓強實驗結果

圖4是0.5C倍率下電池的表面壓強隨電壓和時間的變化曲線，在0.5C、1C、1.5C下實驗測得電池表面壓強隨SOC變化結果如圖5所示。

從圖5中可以看出，磷酸鐵鋰電池在充電時表面壓強上升，放電時表面壓強下降，在充放電過程中均出現了明顯的波峰波谷現象，在充放電過程中，壓強的變化并不是完全對稱的，隨倍率的增大，放電過程中的表面壓強越大，電池累積的壓力越大。

比較三種倍率下的表面壓強曲線可得，在初始壓強相同的情況下，充電倍率越大，表面壓強峰值越大。這是因為電流的大小不同造成內部鋰離子的遷移速度不同，電流越大，鋰離子的遷移速度越快，同時嵌入活性顆粒的鋰離子就越多，體積變化率越大，固相鋰離子濃度梯度越大，這就造成內部應力的變化，如式(1)所示

式中：σe為范式等效力；σr、σθ分別為徑向、環向擴散應力；E為楊氏模量；Ω為偏

摩爾體積；v為泊松比；cav(r)-cs(r)表示活性顆粒內部的固相鋰離子濃度差。

由此可得鋰電池內部的擴散應力與濃度梯度的大小成正比，即濃度梯度越大，擴散應力也越大，從而導致電池表面的壓力增加。比較各倍率放電結束時的壓強值可以看出，在較小的倍率0.5C下，電池壓強恢復到100kPa，但是在1C、1.5C倍率下，壓強值在放電結束時均大于100kPa，表明電池發生了較為明顯的不可逆膨脹。隨著放電倍率的增加，不可逆膨脹和壓力累積也相應增加。

從圖6中可以明顯看出，倍率越大電池充放電時產生的不可逆膨脹越多，殘余應力越大。動力電池在經歷上千次循環的動態充放電時，累積的壓力相較于恒流放電要更多，倍率放電的工況越多，壓力累積越多，電池要緩解這種壓力就要產生更大的形變。當活性顆粒所受的應力超過其承受極限時，活性顆粒可能會破裂，從而導致電池容量下降，并加速電池老化。因此緩解電池在充放電過程中的壓強對于電池安全運行以及提高電池壽命均有益處。

2.2 不同位置處表面壓強測試結果

如圖7所示，在1、2號位置，電池的變面壓力變化趨勢基本相同，壓強的數值相接近，可以看出，在前兩個循環中，充電時1號位置產生的表面壓強要大于2號位置，只有在第三次循環時，充電末期2號位置的表面壓強超過1號位置。由于1、2號位置更接近極耳，因此表面壓強的波動性更大。在圖8中可以看出充電時在波谷結束之前，1號位置的表面壓強始終大于2號位置。

圖9是3、4、5號位置處的表面壓強曲線，3號位置處的壓強曲線較平穩，隨著倍率的增大，最大壓強值略有增加，每次放電結束后的壓強值均低于100kPa，出現了“應力松懈”現象。4號處的壓強曲線明顯低于位置3與位置5，這是因為在充放電過程中電池平面各位置產生的形變不同使得位置4處的壓力傳感器與夾具之間并不是緊密接觸而造成的測量差異，4號位置處的最大壓強隨倍率的增大和循環的增加而上升。在電池平面的5號位置處，電池的表面壓強最大，并且應力累積更嚴重,隨著循環的進行，最大壓強值不斷增大，這說明此處產生的體積變化最大，與夾具之間的擠壓最強。

2.3 溫度變化時電池表面壓強測量結果

如圖10所示，在不同溫度條件下對實驗電池進行充放電時，可以觀察到電池表面壓強隨著溫度和充電狀態的變化而變化。與在恒定溫度下充放電相比，變化溫度下的電池表面壓強變化更為顯著，且變化速度更快。在高溫條件下，由于材料的熱脹冷縮效應，電池體積在放電后不會完全收縮回充電前的狀態，而是保持一定的膨脹。這解釋了為什么在放電結束后，電池表面壓強在一段時間內保持不變的現象。

在電池充電過程中，表面壓強隨著電壓的增加而上升。當充電達到截止條件時，壓強值從100kPa升至434kPa，這一數值明顯超過了0.5C倍率下恒溫充放電時記錄的最大壓強值。隨著溫度和荷電狀態的上升，盡管表面壓強的變化不再呈現恒溫條件下的波峰波谷現象，但壓強的增長仍然出現了減緩的階段。這一現象與電池內部活性材料的相變密切相關。而在其放電過程中，即使溫度下降，電池表面的壓強也沒有下降而是持續上升，增長速度有所放緩，最大值為548.15kPa，放電結束時達到497kPa，一次充放電壓強變化為初始壓強的397%。在充電結束后，通過測量靜置過程中的溫度和壓強，發現壓強呈緩慢下降趨勢，鋰離子電池內部運動歸于“平靜”，電池膨脹減小。這時再次恒速率升溫，發現壓強并沒有明顯的趨勢改變，說明溫度的變化對擱置狀態下的鋰電池表面壓強影響不如充放電時大。

在充電過程中，溫度的變化造成電壓平臺的變化，如圖11所示的電壓曲線，溫度對磷酸鐵鋰電池的電化學性能有顯著影響，恒溫充電的電壓平臺高于變溫充電，并且恒壓充電的時間更長，而變溫充電由于后期溫度升高，充入的電量更多，恒壓充電時間更短。

由此可推斷，在電動汽車行駛過程中，動力電池處在復雜的工作環境中，其電流、溫度、外部壓力都在發生著變化。從力學角度分析，電池在變溫條件下內部的應變和應力與恒溫條件下有顯著差異，且在變溫條件下電池的膨脹更為顯著。在電池發生熱失控的早期，電壓與溫度變化不明顯，對于熱失控的預警存在偏差。通過圖11可以看到電池變溫運行時，壓力的變化十分迅速且壓力值變化明顯，這說明相對于溫度的變化，電池體積的變化更早、更迅速,因此將壓力檢測傳感器與溫度、電壓檢測相結合，共同作為電池熱失控的預警信號，不僅能提高預測的精度還能提高預測的速度。

2.4 電池膨脹機制解釋

由圖12可得電池在充電時隨著鋰離子不斷地嵌入石墨負極，石墨活性顆粒體積會膨脹，導致電池體積增大，從而使得電池表面壓力上升。然而，在SOC= [0.3,0.7]時，電池表面壓力的變化呈現出先上升后下降再上升的趨勢，直到充電結束時達到最大值。出現此現象的原因是鋰離子在插入石墨負極上的活性顆粒時伴隨著相變過程，會生成不同的中間化合物，石墨的層間距會發生變化從而導致體積變化不再是像充電起始時的近似線性上升。在這一SOC區間內，伴隨著碳原子從C18向C12、C6結構的轉變，石墨層間距保持相對穩定，石墨顆粒的膨脹并不顯著。因此，在充電過程中，該SOC區間內的電池表面壓力變化相對較小。

在放電時，壓強在SOC=[0.2,0.9]變化更加接近正弦函數變化，說明此時正負極的相變而導致的體積變化相對于充電時更大，充放電時的相變過程并不完全一致。磷酸鐵鋰電池的膨脹主要來自于石墨負極,正極的影響很小。在電池放電時鋰離子從石墨負極脫離，負極活性顆粒收縮,因此表面壓力下降。在放電時，石墨負極從LiC6化合物逐步轉變為LiC12和LiC18化合物，這一過程中石墨層間距變化不大，導致負極體積變化較小，因此外部壓力的變化也不顯著。與此同時，正極的FePO4在得到鋰離子后轉變為LiFePO4，伴隨著體積膨脹。在這一階段，正極材料的體積變化起主導作用，導致電池整體壓力上升。石墨相變結束后，負極的活性顆粒進一步失去鋰離子，體積收縮，層間距縮小，負極占據主導地位，電池整體體積收縮，因此壓力再次下降，直到充電結束。

由圖13可知電池的表面壓強和SOC有很強的依賴性，對于1C、1.5C的表面壓強曲線也有相同的關系。通常，電池電壓、電流和溫度等外特性參數可直接測量，這些參數能夠體現電池內部的狀態變化。在電池的電壓平臺階段,電壓的變化幅度僅為0.07V，相對較小，然而電池表面壓力的變化卻遠大于電壓的變化，波動更為明顯。根據本文的工作，可以將表面壓力的測量作為電池充放電時又一可實時測量的外部信號，由于表面壓力的變化與活性顆粒的的嵌鋰和脫鋰過程直接相關，因此壓力信號比電壓信號更能反映鋰離子的擴散過程與濃度變化。這對于SOC的估計有重要意義，可以將表面壓力作為SOC估計的一種輔助方法，提高估計的準確性。

3 結論

本文開發了電池內膨脹應力在線測試裝置，通過該裝置對20Ah磷酸鐵鋰軟包電池在多種工況下進行了表面壓力的實際測量，并繪制出了電池表面壓力的特性曲線。通過不同倍率的充放電實驗，觀察到電池表面壓力的累積效應：充放電倍率越高，循環次數越多，壓力累積也越顯著。當這種壓力累積達到一定程度時，可能會導致電極顆粒破裂，從而引起電池容量的損失。在極端情況下，這種壓力累積甚至可能觸發熱失控現象。由于電池表面不同位置的壓力分布存在差異，固定電池時應盡量避開壓力峰值區域，以防止因擠壓而產生過大的機械壓力，從而避免對電池造成損傷。通過變溫實驗發現，電池的表面壓力對溫度的變化較為敏感，使用薄膜壓力傳感器對壓力進行檢測，當電池溫度上升時，內部膨脹力顯著上升。因此，未來研究中可以將壓力檢測與電壓、溫度信號檢測相結合并作為電池熱失控預警的關鍵性指標，不僅能提高預警的準確性，還能加快預警的響應速度。

文獻參考：王克飛,劉彤,張妹,趙楊梅,時瑋.磷酸鐵鋰動力電池充放電膨脹力研究[J].燕山大學學報,2025,49(2):130-136

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