無論是圓柱電池、軟包電池還是方形電池，在電動車中使用時都是處于力約束狀態(tài)，譬如模組的形式。力約束一方面是起到固定電池的作用，同時最大限度消除電池充放電和長期使用過程膨脹對電池性能帶來的負(fù)面影響。如何更好地對電池進(jìn)行力約束一直是值得探討的研究方向。在此問題上，德國大眾就曾研究過不同約束方式對NMC622軟包電池電性能的影響[4]。對于目前各個企業(yè)正在積極研發(fā)的硅氧/硅碳負(fù)極體系電池，由于體積膨脹更大，將來的力約束更是個大問題。本文要介紹的工作來自捷豹路虎的工程師Julie Chevalier和英國華威大學(xué)的研究人員共同開展的研究，通過對比不同約束壓力（無約束、5 psi和15psi）下15 Ah NMC軟包電池循環(huán)和功率性能，結(jié)果顯示約束壓力對電池循環(huán)和倍率特性有顯著影響，這也啟發(fā)電池應(yīng)用工程師在模組和pack設(shè)計時應(yīng)該充分考慮電池的約束問題。

 

實(shí)驗(yàn)所用為15Ah NMC體系的軟包電池，電池尺寸18.6*16.5*5.6cm。循環(huán)過程電池用尺寸20*20*2.5cm的鑄鐵夾具固定，具體示意如上圖所示（注：圖中夾具似乎銹蝕的有些厲害…）。為了考察約束壓力的影響，作者根據(jù)該電池在整車端模組、pack中的實(shí)際約束條件選擇了三組壓力：0 psi、5 psi和15psi。軟包電池所受壓力通過壓力傳感器片進(jìn)行測量，循環(huán)測試在25℃溫箱中進(jìn)行。電池在50%-100%SOC之間以1C進(jìn)行循環(huán)，在150、300、450、600、800、950、1200周停止進(jìn)行容量保持率、脈沖功率和EIS測試，直至電池容量衰減30%循環(huán)測試停止。

 

 

    圖2是壓力傳感器片所測得的5 psi和15psi約束狀態(tài)下電池表面的壓力分布狀態(tài)?？梢钥吹脚c通常認(rèn)為的受壓下電池表面壓力均勻分布不同：(1) 5 psi約束狀態(tài)下電池邊緣部位壓力較高、中間部分壓力相對較小。雖然夾具固定時定義的壓力為5 psi，但可以看到電池中間部分區(qū)域所受壓力為3-4 psi，甚至局部出現(xiàn)1-2 psi；(2)15 psi約束狀態(tài)下電池表面整體受力較為均勻，只有極少面積壓力值較低。注：從圖2結(jié)果看電池在夾具固定時如何確保電池整體受力均勻是非常值得關(guān)注的，夾具的平整度、螺母固定的順序及固定工具都需要仔細(xì)檢查。

 

    同0psi相比，5psi和15psi約束狀態(tài)下電池純歐姆電阻分別增加了0.74m?和0.58m?。根據(jù)雙電層電容公式C=εS/d=εS/4πkd(式中C為電容值，ε為材料相關(guān)常數(shù)，S為電容極板正對面積，k為靜電力常數(shù)，d為極板間距離)，受壓狀態(tài)下電池的雙電層電容增大，同時電解液的浸潤性提高、電荷轉(zhuǎn)移電阻降低，二者共同導(dǎo)致圖3中受壓狀態(tài)下的EIS圖圓弧區(qū)域面積較0psi減小。此外，電池在受壓狀態(tài)下隔膜會發(fā)生一定程度的蠕動導(dǎo)致電極間的離子傳導(dǎo)率降低，最終導(dǎo)致純歐姆電阻增大。

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從圖4中我們可以清楚看到約束壓力對電池循環(huán)性能的影響。在前450周，循環(huán)曲線幾乎重合，約束壓力對電池循環(huán)性能的影響并不明顯。但從450周以后，0psi電池的容量衰減明顯更快，其次是5psi，容量保持最好的是15psi約束的電池。循環(huán)1200周，0psi、5psi和15psi約束的電池容量分別衰減11.0%、8.8%和8.4%。與循環(huán)容量結(jié)果相對應(yīng)，循環(huán)過程電池的純歐姆電阻均在不斷增加，循環(huán)1200周0 psi、5psi和15 psi約束的電池純歐姆電阻分別增加了19.6%、31.7%和18.2%。并且從圖5中還可以看到前600周純歐姆電阻的增加速率高于后600周。

 

    圖2顯示電池剛5psi約束時其表面壓力分布不均勻，邊緣部位壓力較大而中間部分區(qū)域壓力值較低。但從圖6a和圖6c我們可以看到循環(huán)后電池表面的壓力分布不僅變得更為均勻，而且壓力值較初始固定時所采用的5psi有所提高，局部甚至超過了6psi。圖2顯示電池剛15psi約束時其表面壓力分布較為均勻，但從圖6b和圖6d中卻可以清晰看到循環(huán)后電池表面壓力分布不均勻，同時整體壓力值較電池初始固定時所用的15psi有所提高。