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前 言

電池內(nèi)部壓力變化主要原因包括：（1）在鋰離子電池的充放電過程中，電極材料體積隨著鋰化和脫鋰而不斷波動，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT,對于固定外殼的圓柱或者方殼電池，電極材料體積變化導(dǎo)致內(nèi)部氣體體積變化，從而導(dǎo)致內(nèi)部氣體壓力的變化。（2）鋰離子電池內(nèi)的異常副反應(yīng)會產(chǎn)生氣體，從而導(dǎo)致更高的壓力，引發(fā)一系列安全問題。（3）內(nèi)部氣體壓力的波動還受到電池內(nèi)的熱效應(yīng)的影響，根據(jù)PV=nRT，溫度變化時也會導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力變化。通常氣體壓力變化也可以分為兩類：由電極結(jié)構(gòu)變化引起的可逆壓力變化和由副反應(yīng)產(chǎn)氣引起的不可逆壓力變化。電池內(nèi)部壓力的增加將加速電極的老化，最終降低電池的性能和壽命，并可能導(dǎo)致安全事故。因此，實時監(jiān)測鋰離子電池內(nèi)部氣體壓力可以給出電池內(nèi)部反應(yīng)的額外信息，既可以加深對電極材料體積如何變化的理解，又可以探索電池運行過程中電池內(nèi)部副反應(yīng)的機理。一般地，電池產(chǎn)氣測試的主要目的有如下幾個方面：

1、評估安全性：電池在異常工況下（如過充、過放、高溫等）可能會產(chǎn)生大量氣體，這些氣體如果未能及時排出或得到有效控制，可能會導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力驟增，進而引發(fā)漏液、膨脹、甚至爆炸等安全問題。因此，產(chǎn)氣測試的首要目的是評估電池在不同條件下的安全性能。

2、優(yōu)化電池材料：不同的電池材料在化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體種類和量有所不同。通過產(chǎn)氣測試，可以分析出哪些材料組合更傾向于產(chǎn)生較少的有害氣體，或者能夠更有效地管理氣體產(chǎn)生，從而指導(dǎo)電池材料的研發(fā)和優(yōu)化。

3、改進電池設(shè)計：電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計對于氣體管理同樣至關(guān)重要。合理的電池設(shè)計可以確保氣體在產(chǎn)生后能夠迅速排出，避免在電池內(nèi)部積聚。產(chǎn)氣測試可以幫助識別設(shè)計中可能存在的氣體排放不暢或積聚的問題，進而推動電池設(shè)計的改進。

4、提高循環(huán)壽命：電池的循環(huán)壽命受多種因素影響，其中之一就是氣體產(chǎn)生。過多的氣體產(chǎn)生可能會加速電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，降低電池的循環(huán)穩(wěn)定性。通過產(chǎn)氣測試，可以評估不同循環(huán)條件下電池的產(chǎn)氣情況，從而找到提高電池循環(huán)壽命的方法。

元能科技推出的方殼&圓柱電池新型原位產(chǎn)氣內(nèi)壓測試方案，集成了高精度小空間內(nèi)壓傳感器、8通道中位機以及上位機軟件，構(gòu)成了一個全面、高效的電池內(nèi)壓監(jiān)測系統(tǒng)。

圖1：電池內(nèi)壓監(jiān)測系統(tǒng)（PBP1100）

1. 測試方案核心組件

（1）小空間內(nèi)壓傳感器：

（a) 傳感器內(nèi)部空體積僅為0.0157毫升，最小化了空間對電池內(nèi)壓產(chǎn)生的影響。

（b) 傳感器量程最大壓強可達2MPa（其余量程可以定制），覆蓋了電池充放電/存儲過程中可能產(chǎn)生的內(nèi)壓范圍。

（c) 精度達到0.3%F.S，提供了高精度的內(nèi)壓測量數(shù)據(jù)。

（2）8通道中位機：

（a) 支持同時連接8個內(nèi)壓傳感器，實現(xiàn)多通道并行測試，大大提高了測試效率。

（b) 具備長時間連續(xù)測試能力，可連續(xù)存儲6個月的數(shù)據(jù)，為長期監(jiān)測提供了可能。

（3）上位機軟件：

（a) 實時顯示各通道的內(nèi)壓和充放電數(shù)據(jù)變化，使研究人員能夠直觀了解電池狀態(tài)。

（b) 提供數(shù)據(jù)分析功能，幫助研究人員深入挖掘數(shù)據(jù)背后的規(guī)律和信息。

電池產(chǎn)氣測試工況一般分為3類：存儲產(chǎn)氣測試、 循環(huán)產(chǎn)氣測試、過充/過放產(chǎn)氣測試。在選擇氣壓測試方法時，應(yīng)根據(jù)被測對象的具體特點和測試需求進行綜合考慮。對于軟包電芯而言，排水法因其操作簡便、準確性高且對電芯無損害而成為優(yōu)先選擇的測試方法；而對于方殼和圓柱電池來說，內(nèi)壓法則因其結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強、能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測以及集成化設(shè)計的優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用。

表1：不同方式適用性對比分析

2. 測試應(yīng)用案例分析

在測試前應(yīng)對電池進行密封性檢測，確保電池沒有漏氣現(xiàn)象。這可以通過氦檢等方法來實現(xiàn)。

在進行不同充放電工步的長循環(huán)周期測試中，觀察到氣壓隨時間增加而有一定增長，并且確認不存在漏氣問題，這一結(jié)果反映了電池內(nèi)部在充放電過程中發(fā)生的復(fù)雜物理化學(xué)變化（圖2）。結(jié)合上位機軟件，合并充放電數(shù)據(jù)后（圖3），可以看到氣壓曲線與充放曲線呈現(xiàn)一致性變化，在長循環(huán)周期測試中，電池內(nèi)部氣壓的增長主要是由于充放電過程中產(chǎn)生的氣體在電池內(nèi)部積累所致。由圖3可知，電池內(nèi)壓變化與充放電曲線高度一致。如前所述，電池內(nèi)的溫度波動、電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體以及電極材料的晶格體積收縮和膨脹都是氣體壓力的重要因素。內(nèi)壓在充電過程中升高而在放電過程中逐步降低，這部分壓力變化主要是由電極材料地體積變化引起的，屬于可逆壓力變化。循環(huán)過程中，最低壓力和最高壓力逐步升高，升高的部分是不可逆壓力變化，主要是由于副反應(yīng)產(chǎn)氣導(dǎo)致的。電池內(nèi)壓的演化過程包含了大量的信息，與電池的電極膨脹與收縮、溫度效應(yīng)和副反應(yīng)緊密相關(guān)，詳細解析壓強變化可以更深理解電池內(nèi)部的反應(yīng)過程，理解電池老化機理。

圖2：不同充放電工步氣壓曲線

圖3：氣壓與充放電曲線

3. 總結(jié)

該產(chǎn)氣測試方案在圓柱/方殼電池性能測試具有廣泛的應(yīng)用前景。通過實時監(jiān)測電池內(nèi)壓的變化，可以及時發(fā)現(xiàn)電池潛在的安全隱患，提高電池的安全性能和可靠性。同時，該方案也為電池的研發(fā)和優(yōu)化提供了重要的數(shù)據(jù)支持，有助于推動電池技術(shù)的不斷進步和發(fā)展。

參考文獻：Ke Tan, Wei Li, Zhen Lin, Xile Han, Xiaoshuang Dai, Shikai Li, Zhi Liu, Hongyu Liu, Long Sun, Junfeng Jiang, Tiegen Liu, Kai Wu, Tuan Guo, Shuang Wang,Operando monitoring of internal gas pressure in commercial lithium-ion batteries via a MEMS-assisted fiber-optic interferometer,Journal of Power Sources,2023, 580,233471