SEI 膜，即固体电解质界面膜，它的形成过程对电池膨胀力有着不可忽视的作用。在锂电池首次充电时，负极材料表面会与电解液发生一系列复杂的化学反应，从而形成一层 SEI 膜。这个过程会消耗部分锂离子和电解液中的溶剂，这不仅导致了电池的不可逆容量损失，还会因为化学反应产生气体，使得电池内部的气压增加，进而对膨胀力产生影响。在后续的充放电循环中，SEI 膜会不断地生长和修复。当负极材料因锂离子的嵌入和脱出而发生体积变化时，SEI 膜可能会受到破坏，为了维持其完整性，会再次发生化学反应进行修复，这又会进一步消耗锂离子和产生气体，使得膨胀力持续变化。而且，SEI 膜的厚度和致密性也会影响锂离子在电极材料中的嵌入和脱出速率，间接影响电极材料的体积变化，从而对膨胀力产生复杂的影响。例如，如果 SEI 膜过厚或者不够致密，锂离子的传输受阻，可能会导致电极材料局部锂离子浓度不均匀，引起不均匀的体积膨胀，产生不均匀的膨胀力，这对电池的性能和安全性都是不利的。
膨胀力的 “蝴蝶效应”
电芯内部的 “压力危机”
随着锂电池的充放电循环，电芯内部的膨胀力逐渐增大，这无疑给电池的性能和寿命带来了巨大的挑战。当膨胀力达到一定程度时，会使得电极材料中的颗粒之间的结合力减弱，从而导致电极颗粒脱落。这些脱落的颗粒可能会在电池内部四处游离，不仅会阻碍锂离子的正常传输，降低电池的充放电效率，还可能会引发局部的短路现象，严重威胁电池的安全性。而且，膨胀力还会对隔膜造成损害。隔膜作为电池正负极之间的关键隔离层，其完整性对于防止电池短路至关重要。过大的膨胀力可能会使隔膜出现破裂、穿孔等情况，一旦隔膜受损，正负极直接接触的风险就会大大增加，内短路的可能性也会随之上升，这极有可能引发电池的热失控，最终导致起火爆炸等严重后果。此外，膨胀力引起的电芯内部压力增大，还会加速电池内部的副反应，例如促使电解液的分解，产生更多的气体，进一步增加电芯内部的压力，形成一个恶性循环，使得电池的性能和寿命迅速衰减。
模组结构的 “变形挑战”
在模组层面，电芯的膨胀力会使模组发生形变和位移，进而对整个电池组的性能和安全性产生不利影响。由于电芯在膨胀过程中会对模组的框架和连接部件施加压力，导致模组的尺寸发生变化，出现尺寸超差的问题。这可能会影响电池组在设备中的安装和固定，使其无法正常工作。而且，膨胀力还可能导致模组内部的连接部件松动，如电芯之间的连接片、模组与外部电路的连接插头等。连接部件的松动会增加接触电阻，使得电池在充放电过程中产生更多的热量，不仅会降低电池的能量转换效率，还可能会引发局部过热，损坏电池组件，甚至引发火灾。此外，模组的形变还可能会对电池管理系统（BMS）的监测和控制产生干扰。BMS 通常依赖于传感器来监测电池的电压、电流和温度等参数，模组的变形可能会使传感器的位置发生偏移，导致监测数据不准确，从而影响 BMS 对电池组的充放电控制和安全保护功能，进一步增加了电池组的安全隐患。
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。
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。
电池资料
2022-03-30
2022-06-15
2022-03-07
2021-01-07
2021-01-02
2020-12-29
2020-12-26
2020-11-10
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