動力電池循環使用過程中會逐漸老化，產生氣體導致電池膨脹。因此，出于電池安全、可靠性和壽命考慮，動力電池在模組裝配時都要進行固定約束。模組裝配時如何對電池進行約束、用多大的力約束極具研究價值，因為約束的好壞直接關系到電池的性能和壽命。最近，來自德國大眾汽車的MartinWünsch、J?rgKaufman和亞琛工業大學的DirkUweSauer研究對比了不同約束條件下NMC622軟包電池的循環壽命和電化學阻抗譜，研究成果發表在JournalofEnergyStorage。

研究亮點：

(1)系統研究了四種約束條件下NMC622軟包電池的循環和電化學阻抗譜，對實際軟包電池模裝配約束提供了指導，研究方式和思路值得學習借鑒;

(2)引入了參數歸一化最小實部NGM，有利于快速判斷約束方式的優劣。

圖1.實驗所用軟包電池

實驗所用電池為NMC622軟包電池，單電芯容量37Ah，電池外觀及尺寸如圖1所示。其中正極31層，負極32層;隔膜為雙面涂覆Al2O3，單面涂覆3μm，隔膜總厚度16μm。工作電壓區間為2.5-4.15V。

圖2.四種約束方式：Ⅰ.無約束(Unbraced)，可測電池厚度變化;Ⅱ.穩定約束(Braced)，配備力傳感器;Ⅲ.六變形元素約束(Defoelements)，其中暗紅色為彈片;Ⅳ.四彈簧恒力約束(Springs)。

表1.電化學阻抗譜EIS和功率峰值PPT(peakpowertests)測試條件

對軟包電池的四種約束形式如圖2所示。在以上四種不同約束條件下，電池在2.15-4.15V之間進行1C充放電循環，每循環100周在23℃靜置3h讓電池溫度達到平衡，最后再進行4周充放電循環，最后一次循環的放電容量用于判斷電池的SoH(StateofHealth)。此外，還進行了電化學阻抗譜EIS和功率峰值PPT(peakpowertests)測試，測試條件如表1所示。

圖3.不同約束條件下電池老化行為：(a)SoH;(b)50%SOCPPT電阻;(c)無約束電池循環厚度變化;(d)穩定約束電池循環膨脹力變化。注：文中EoL(EndofLife)定義為電池容量達到初始容量的80%。

如圖3a所示，無約束狀態電池在循環400周左右SoH陡崖式降至80%以下，穩定約束電池循環1300周達到EoL，六變形元素約束電池循環1600周達到EoL，而四彈簧恒力約束電池需要循環3000周才達到EoL。以上結果直觀的表明軟包電池的約束形式對其循環壽命影響有顯著影響。

如圖3b所示，四彈簧恒力約束電池PPT電阻上升趨勢最為緩慢，無約束狀態電池在循環500周左右PTT電阻陡然上升，穩定約束電池循環100周即可明顯觀察到PPT電阻上升趨勢，六變形元素約束電池循環1000周PPT電阻陡然上升。以上結果與圖a相對應。

從圖3c可以看出，在無約束條件下，0-400周循環充電和放電過程電池厚度差穩定在200μm,循環400周后電池厚度猛增至約2300μm。

圖3d為穩定約束狀態下循環充放電過程電池膨脹力變化。不難看出，數周循環后100%SOC膨脹力F約為4.3KN。隨著循環進行，F不斷增長，且300周后F幾乎呈線性增長趨勢，充電和放電過程膨脹力差值約為5KN。當循環1300周電池達到EoL時，充電過程膨脹力達到10.78KN。因此在模組裝配時，如何有效應對電池的膨脹力至關重要，模組中相關受力材料的選擇很關鍵。

圖4.四種不同約束條件下、不同SoH狀態電池Niquist電化學阻抗譜圖

直觀上看，四種約束狀態Niquist圖中感抗部分均很顯著，作者認為該現象同電池的組織結構相關。如圖4a所示，無約束電池在100%SoH和73.57%SoH阻抗譜半圓弧部分幾乎沒有變化，唯一增長的是歐姆電阻，由此表明電池老化的主要原因是電解液的惡化和界面接觸變差。圖4b和圖4c顯示穩定約束和六變形元素約束電池的歐姆電阻增長均小于無約束狀態電池，但二者的半圓弧顯著擴大，表明存在多種老化模式。作者認為以上兩種約束形式電池膨脹受阻，電池內部作用力大，顆粒破裂導致歐姆電阻增大。如圖4d所示，四彈簧恒力約束狀態阻抗譜半圓弧部分擴大最為明顯，而歐姆阻抗幾乎沒有變化，表明老化過程阻抗主要來自雙電層電阻。以上結果表明不同于以上三種約束方式，四彈簧恒力約束狀態電池有一定的膨脹空間，能一定程度避免顆粒裂紋的出現和隔膜的變形，進而最終得到較好的循環效果。

圖5.四種不同約束狀態電化學阻抗譜圖實部-頻率(對數)關系曲線

鑒于在中頻區半圓弧部分對應的實部變化明顯，且約束與否對歐姆接觸影響明顯，作者以電化學阻抗譜的實部為參數進行分析。從圖5a不難看出，無約束電池是快速達到EoL，80%附近的阻抗都未檢測到。穩定約束電池在低頻區能觀察到明顯的阻抗“噪音”(圖5b)。而從圖5c和圖5d中可以看到六變形元素約束和四彈簧恒力約束實部呈現均勻增長。從全頻率看，實部的最低值出現在f≈102-103Hz范圍，且在該頻率范圍四種約束形式的阻抗譜實部差異顯著。作者根據如下公式對實部最小值進行了歸一化處理，引入參數NGM(Normalized-Global-MinimumoftheRealPart)。

圖6.四種不同約束條件下電池NGM隨循環周數變化曲線

四種不同約束條件下電池NGM隨循環周數變化曲線如圖6所示。不難看出，無論哪種約束形式0-400周循環均呈下降趨勢且同SoC無關，表明NGM適合用于評價不同約束形式對電池的影響。從圖6a可以看出，在無約束狀態下，NGM在300-500周急劇上升，結果與無約束狀態PPT電阻變化相一致。圖6b顯示穩定約束狀態NGM有一定“噪音”，但還是能明顯看到300周后NGM值穩定上升。在六變形元素約束狀態下(圖6c)，500周后NGM幾乎呈線性增長，且在1000周NGM值才達到1。圖6d顯示在四彈簧恒力約束條件下循環300周NGM降低至0.9，300-1800周NGM一直維持在0.9;1800周后NGM幾乎呈線性增長，直到達到EoLNGM值都未達到1。從以上對比不難看出，約束較好的電池NGM減小率較初始值不會超過10%。更為重要的是，相較于SoH和PPT曲線，NGM曲線在300周循環后就能觀察出不同約束方式對電池的影響差別。因此，鑒于NGM不受電池SoC和雙電層的影響，且能在循環前期就能給出清晰結論，其非常適合用于判斷不同約束方式的優劣。