許多熟悉方形鋰離??子電池構(gòu)造的人都會說它會呼吸。充電和放電會引起溫度變化，電化學(xué)和內(nèi)部組件的機械結(jié)構(gòu)，進而改變內(nèi)部壓力。當(dāng)制造商試圖創(chuàng)建一種高效，輕便和安全的產(chǎn)品時，設(shè)計師必須密切了解這些特性，這一點至關(guān)重要。

不管是哪個行業(yè)，消費電子產(chǎn)品或儲能系統(tǒng)，用戶都在要求更輕，更緊湊，具有更高能量密度和更快充電的電池。在發(fā)生災(zāi)難性事件時，它們也必須是安全的。這些功能通常會發(fā)生沖突，要找到一個平衡點并保持成本競爭力可能是一個挑戰(zhàn)。

在考慮材料和電池構(gòu)造時，評估壓力動態(tài)對于維持材料間距，控制放氣并防止過度溶脹至關(guān)重要。

什么是壓力映射？

即使在相對平坦的表面之間，您可能也會發(fā)現(xiàn)界面壓力分布在峰值壓力的局部區(qū)域內(nèi)通常也不均勻。壓力映射技術(shù)可幫助設(shè)計工程師深入了解可能影響設(shè)計和質(zhì)量的領(lǐng)域。

如圖1所示，壓力映射系統(tǒng)由三部分組成-傳感器，掃描電子設(shè)備和軟件-以其他方法無法提供的方式提供實時，可操作的數(shù)據(jù)。

圖1：設(shè)計人員和工程師使用壓力映射系統(tǒng)（例如上圖所示）來測量兩個配合表面之間的界面壓力。

傳感器是壓阻式感應(yīng)點的陣列，可測量感應(yīng)區(qū)域上的壓力分布。傳感器將壓縮壓力負載轉(zhuǎn)換為電阻變化。

• 傳感器通常具有大約2,000個感測點，但是某些傳感器可以設(shè)計為具有超過16,000個感測點。
• 傳感元件間距（間距）可窄至0.64毫米（0.025英寸）。
• 傳感器可以測量高達25,000 PSI（172 MPa）的壓力范圍
• 高溫傳感器選項最高可達200??°C（400°F）

掃描電子設(shè)備從傳感器收集模擬數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

• 掃描速度高達20,000 Hz
• 該軟件顯示傳感器區(qū)域的實時活動，使用戶可以查看力，壓力，接觸區(qū)域和計時數(shù)據(jù)。

研究支持的測量疊層壓縮應(yīng)力的方法

盡管許多制造商在制造過程中付出了巨大的努力來維持恒定的煙囪構(gòu)造，但許多制造商并未將煙囪壓力作為其質(zhì)量程序的一部分進行驗證。此外，隨著電池的充電和放電，許多電池?zé)o法對電池組的內(nèi)部應(yīng)力進行量化。

在2013年普林斯頓大學(xué)的一項研究1中，研究人員發(fā)現(xiàn)，高電池堆壓力“對長期電池性能產(chǎn)生了強烈影響，壓力水平越高，容量衰減率越高。”當(dāng)陽極和陰極分離時，顯著的內(nèi)部壓力會導(dǎo)致塑性變形，分層和內(nèi)部阻抗增加。盡管較低的煙囪壓力可提供更好的長期性能，但當(dāng)壓力太低時仍可能發(fā)生分層。

尋找住房壓力的“最佳地方”成為一項挑戰(zhàn)。稱重傳感器固定裝置可以表征電池組件上的平均壓力。盡管這項研究成功地測量了循環(huán)測試中的平均壓力，但壓力映射技術(shù)為工程師提供了一個機會，使他們可以深入了解此應(yīng)用并確定特定的壓力區(qū)域。

測量電池堆應(yīng)力的新模型

傳感元件的薄而靈活的陣列提供了幾乎任意兩個表面之間不同壓力的全面數(shù)據(jù)。如圖2所示，在進行電池充電/放電循環(huán)測試時，可以將0.01mm厚的傳感器包裹在電池周圍，以提供360o的視野。

圖2：該模型演示了電池設(shè)計人員如何使用壓力映射技術(shù)來測量在對鋰離子電池充電和放電時出現(xiàn)的壓力。輕巧而靈活的傳感器可緊密貼合在幾乎任何固定裝置或電池類型之間。

通過壓力映射，為研究人員和電池設(shè)計人員提供了豐富的評估工具，并了解了不同使用參數(shù)對其設(shè)計的影響。這些研究幫助設(shè)計師找到了適合自己需求的正確材料和最佳結(jié)構(gòu)，從而帶來了更好的設(shè)計和可重復(fù)的結(jié)果。

壓力映射已用于數(shù)月的研究中，以評估數(shù)千個充電和放電循環(huán)中的壓力曲線，該原理可用于評估電池外殼材料。

圖3顯示了長期電池充電/放電周期測試的五個小時部分的數(shù)據(jù)。基于這些短期結(jié)果，在充電和放電時會發(fā)生清晰的界面壓力動態(tài)變化，包括電池上在充電過程中顯示出過大壓力的特定區(qū)域。

圖3：五個小時的充電/放電循環(huán)測試示例。前兩個圖像顯示了放置在固定裝置中的電池，而屏幕截圖顯示了壓力輸出。

該技術(shù)也已用于評估外殼設(shè)計或在沖擊測試中識別電池上的易損位置。

在嘗試優(yōu)化本文所述的特性時，設(shè)計人員切勿損害其產(chǎn)品的安全性。充電過程中溫度升高會導(dǎo)致鋰化，從而導(dǎo)致放氣。電池中其他氣體的內(nèi)部壓力會導(dǎo)致外殼或隔板故障，從而導(dǎo)致熱失控反應(yīng)。

壓力映射技術(shù)已成為一種重要的方法，可以幫助工程師識別棱柱形電池單元幾乎任何位置的局部壓力區(qū)域，從而帶來更好的設(shè)計決策和更持久的技術(shù)。

編輯：hfy