储能电池模组膨胀力特性研究及仿真分析

作者：樊慧敏 1彭浩鸿 1孟辉 1唐梦宏 1易昊昊 1丁静 1刘金成 1徐成善 2冯旭宁 2

单位：1. 惠州亿纬锂能股份有限公司 2. 清华大学

引用本文：樊慧敏, 彭浩鸿, 孟辉, 等. 储能电池模组膨胀力特性研究及仿真分析[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(6): 2488-2497.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.1210

本文亮点：1. 对模组全SOC的膨胀力从材料结构进行分析，首次将不同峰值的膨胀力与循环关联分析； 2. 研究发现全SOH的最大膨胀力有2种SOC状态，在循环稳定后与SOH呈近线性关系； 3. 模组内电芯的串联数量不会影响膨胀力的增长趋势。

摘 要 锂离子电池在充放电过程中存在膨胀力，其受电池的荷电状态(state of charge，SOC)和健康状态(state of health，SOH)影响。对于储能磷酸铁锂电池，其膨胀力特性是有关储能电池系统电性能及安全性能的重要特性之一，而大容量储能磷酸铁锂电池在全生命周期内膨胀力的演变特性及机理尚不清晰。本工作选择一款容量为280安时的磷酸铁锂电池为研究对象，将其组装成不同串数的模组，采用膨胀力夹具模拟其在实际储能模组中的应用场景，开展了循环耐久性测试，并对全SOC及全生命周期下电池模组膨胀力的演变规律进行了分析。研究结果显示：由于石墨和磷酸铁锂材料的结构特性，充电过程在约30%SOC和100%SOC有2次膨胀力峰值，放电过程也在100%SOC和30%SOC有2次膨胀力峰值。各膨胀力峰值随着电池的衰减呈现不同的演变规律，100%SOC时的膨胀力由最大值逐渐演变成最小值，30%SOC时的膨胀力演变成最大值。此外，在SOH衰减至约90%后，模组膨胀力与SOH呈线性相关，且电芯串联数量的增加没有改变模组最大膨胀力的增长趋势，1P12S模组的最大膨胀力在70%SOH时达到了2365 kgf。根据实测数据对模组的膨胀力仿真分析表明，模组主要零部件的设计能够满足全生命周期内的结构安全性能。该工作初步探究了磷酸铁锂电池模组的膨胀力特性，有助于为模组层级的膨胀力仿真和预测提供参考，为后期磷酸铁锂电池在储能系统模组的安全设计开发提供了支撑。

关键词 磷酸铁锂电池；膨胀力；储能模组；SOC；SOH

储能技术在实现“碳达峰”和“碳中和”目标以及推动能源革命中发挥了至关重要的作用。电化学储能系统作为电能的载体，具有平衡可再生能源(如风能和太阳能)波动性和间歇性的能力，可以显著提高电力系统的稳定性、经济性和安全性。在双碳背景下，电化学储能是当前储能发展的重要方向，而锂离子电池储能作为电化学储能的主流技术路线，在新型储能装机中占据主导地位，在满足电力需求和推动可再生能源的集成方面发挥关键作用。

锂离子电池储能系统中，电池的膨胀力是影响系统工作性能、安全性以及储能模组的结构强度问题的关键因素。电池充放电循环过程中锂离子的重复脱嵌会导致内部活性颗粒体积变化，从而引起电池单体膨胀应力变化，进一步影响着电池系统的循环寿命和结构稳定性。随着储能行业对电池寿命和安全要求的不断提高，电池组的膨胀力成为该领域的一个热点问题。深入研究和解决膨胀力问题至关重要，因为它直接影响着电池系统的可靠性和长期稳定性，甚至在极端情况下可能引发电池爆炸或火灾。Chen等通过分析三种规格的CTP(cell-to-pack)方形锂离子电池在热失控过程中的受力变化，指出膨胀力信号是相比电压、电流、温度等更具前置性和稳定性的预警信号。Cai等建立了一个热失控模型并对某NMC软包电池进行了内短路实验，两种实验条件(快速热失控和缓慢自放电过程)下均验证了在导致表面温度剧增的内短路发生前都能捕获到明显的膨胀力信号。Lv等考虑了电池成组预紧力及实际应用场景，研究磷酸铁锂软包电池在异常工况下的膨胀力变化特性，并提出了基于膨胀力的异常预警方法。Li等研究电芯不同极片数量以及模组中不同串并数对膨胀力影响，研究发现膨胀力过大会导致寿命衰减。本工作以储能用方形铝壳磷酸铁锂电池为研究对象，通过研究模组膨胀力随循环的变化规律深入研究了锂离子电池膨胀力的产生机制，发现单次充放电过程中在约30%(充电态)，约100%(满电态)以及约30%(放电态)会因石墨负极材料脱嵌锂时发生不同相变，引起体积的膨胀变化，由此产生3种膨胀力峰值，且3种膨胀力峰值会随循环次数和SOH发生演变，由循环前期的约100%(满电态)的膨胀力最大值逐渐演变成约30%(充电态)为最大值。本研究工作对模组整个生命周期内的膨胀力的仿真以及电池包设计起着重要的作用。

1 实验材料与方法

本实验使用280 Ah型号的方形磷酸铁锂储能电池为样本，电池的性能规格等详细参数见表1。将280 Ah的方壳电池组装成不同串数的模组，1P12S(12颗电芯串联，简称A模组)和1 P8 S(8颗电芯串联，简称B模组)，置于限位压力工装内，在环境温度(25±2) ℃的条件下，进行0.5 P恒功率充电及0.5 P恒功率放电的循环，充放电的时间间隔为30 min，并在工装夹具内采用压力传感器同步记录充放电循环时的膨胀力变化。

表1   方形磷酸铁锂储能电池的基本性能参数

本次试验采用的充放电测试设备是盛宏60 V/200 A型号，模组膨胀力测试使用的压力传感器是鑫精诚的XJC-S08-2T型号，电池模组的初始SOC约30%，模组测试前施加的初始预紧力是300 kgf；其中模组测试膨胀力测试的夹具是模组膨胀力测试工装，材质为钢制夹具，工装夹具的示意图与实物图如图1所示，夹具初始安装时电池底部朝下并水平放置，模组测试前使用钢制夹具紧固，夹具头部居中放置压力传感器，并调节预紧力。调整好后，模组分别按照表2所示的循环工况进行测试。

表2   方形磷酸铁锂电池充放电循环工况测试条件

2 结果与分析

2.1单次循环中膨胀力变化规律

模组在最初的单次循环中，膨胀力的变化如图2所示。随着一个完整的充放电过程的进行，膨胀力的大小呈现一种非线性的变化，充电过程与放电过程具有一定的相似性及对称性。在第一次充电过程中，0~30%SOC的膨胀力呈现约线性增长的规律，在约30%SOC时膨胀力值达到357 kgf，并呈现第一个膨胀力峰值，随后一直到60%SOC左右膨胀力缓慢下降到330 kgf，最后膨胀力再次呈现线性增长，在100%SOC时达到最大值485 kgf。在充电完成后30 min的搁置过程中，模组内膨胀力减小到458 kgf，由于填充材料的缓冲作用吸收了一部分膨胀力。当从满电态开始放电时，膨胀力从450 kgf逐渐减小，至60%SOC时膨胀力减小至304 kgf。随后在60%~30%SOC变化的过程中，又从304 kgf增加至372 kgf，在30%SOC附近再次出现膨胀力峰值，放电至0%SOC的过程中，膨胀力持续下降至最小值156 kgf，比充电前的力值增加了6 kgf。

2.2单次循环中膨胀力变化机理分析

在充放电过程中，锂离子通过电解液在正负极材料之间来回脱嵌，脱嵌时伴随着材料体积的膨胀和收缩变化而引起可逆的形变，与此同时，负极表面会产生一层SEI膜，一些不可逆反应的副产物及气体产物会引起不可逆的形变，使电池的膨胀逐渐增加。而在单次循环中，锂离子在材料内部发生脱锂及嵌锂的可逆形变是引起膨胀力起伏变化的主要原因。

磷酸铁锂电池在充放电过程中，正负极发生的电化学反应如下：

正极反应：LiFePO₄ ↔ Li_1- FePO₄ + Li⁺+e^-

负极反应：Li⁺ +e^-+ 6C ↔ LiC₆

整体反应：LiFePO₄ + 6C ↔ Li_1-FePO₄ + LiC₆

石墨的晶体结构是石墨烯层的堆叠，其中碳原子以六角形图案排列。在充电过程中，电子从外电路传导至石墨负极，锂离子从磷酸铁锂材料中脱出，进入电解液而后穿过隔膜在石墨负极去溶剂化后与电子结合并嵌入。锂原子的分层嵌入是一种热力学现象，基于扩大两层石墨烯层间距所需的能量和嵌锂层之间的排斥作用之间的一种平衡。在此过程中，石墨随嵌锂量的变化具有典型的四个阶段，如图3(a)所示，分别是IV阶、III阶、II阶以及I阶LiC化合物，罗马数字表示相邻最近的两个嵌锂层之间石墨烯层的层数，以II阶为例，II表示石墨的相邻嵌锂层间隔2层石墨烯层。随着石墨嵌锂量的增加，电极电位也随之发生变化形成充电电压阶梯平台，如图3(b)所示，对应着高阶化合物向低阶化合物的转变。石墨电位与嵌锂结构的变化主要分为如下几个阶段：①在嵌锂初期，由于锂的浓度较低且要形成SEI膜，少量锂原子随机分布在石墨晶格内，形成固溶体型化合物，此阶段主要经历石墨向固溶型LiC₆化合物转变的过程；②随嵌锂量增加电极电势也降低，石墨发生固溶型LiC₆化合物→IV阶的转变，形成LiC₃₆；③这个阶段是IV阶→III阶→II阶(LiC₆化合物的转变为LiC₃₆→ LiC₂₇→ LiC₁₈)，根据表3石墨晶格间距变化可以发现，石墨结构由最初的C到LiC₁₈的体积膨胀增加了约5.33%，随着锂的嵌入，石墨的晶格间距增加，进而产生的内应力也逐渐增加；④在石墨电势140 mV，此阶段是III阶向稀释的II阶(IIL)再到II阶的变化过程，此阶段石墨层间距的变化很微弱，几乎不发生变化，因而石墨电极片也几乎不发生膨胀；⑤在充电末期，锂原子增多逐渐嵌满整个石墨，主要是II阶向I阶的过程，此时两个石墨烯层之间的每个通道都被锂占据，这是在室温和大气压力条件下的最大理论嵌锂容量372 mAh/g，此时测量的石墨的体积变化率达到最大约12.4%，因而电池整体表现出的膨胀力也达到最大。

表3   石墨与磷酸铁锂材料的晶格间距变化

纵观石墨嵌锂的过程，石墨材料的层间距和石墨电极材料的厚度随嵌锂量增加而呈现膨胀增大的趋势，Bauer等在石墨半电池的电化学原位膨胀测量试验中也观察到了膨胀随嵌锂量增加。然而，本试验模组的膨胀力变化趋势与石墨的膨胀过程有些差别，例如，在充电至30%~70%SOC的过程中有模组膨胀力减小的趋势。这是由于正极磷酸铁锂材料在脱嵌锂的过程中，也会发生体积变化。在以LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂为正极材料的方形电池内部压力变化的研究工作中，此SOC区间的压力变化也是由于正极材料的体积收缩。LiFePO₄具有橄榄石结构，为扭曲的六方堆积晶体，氧离子通过共价键与P⁵⁺构成稳定的(PO₄)^3-聚阴离子团，晶格中的氧不易丢失，因此具有较高的动力学稳定性。Clerici等指出磷酸铁锂材料在充电(脱锂)时晶体结构的体积呈现线性缩小的变化，如图3(c)所示。在全电池充电30%~70%SOC区间，负极石墨的晶体结构形变随嵌锂量逐渐增加而呈现平稳缓慢增加，而正极磷酸铁锂材料由于锂离子的脱出，结构随着脱锂量的增加而缩小，正负极的结构变化耦合后，在30%~70%SOC区间体积膨胀变小，因而电池的内应力在SOC区间表现出减小的趋势。正负极材料在全SOC区间的形变量耦合结构呈现波浪形变化，平均晶体结构在30%SOC有第一个峰值，在充电的30%~70%SOC区间呈现减小的趋势后开始增加，在100%SOC时产生最大形变，如图3(d)所示。平均晶体结构耦合后的结果与模组膨胀力测试(图2)的结果吻合。

2.3模组膨胀力随循环的变化分析

对容量为280 Ah的磷酸铁锂储能电池组成的A、B两款模组进行0.5 P额定功率的充放电循环，并记录循环过程中的膨胀力变化。首先列举了两模组在前700次的变化趋势，如图5所示。随循环次数的增加，单次充放电过程中的膨胀力3个峰值逐渐增加，图4(a)中，A模组在约30%SOC充电(C1)、100%SOC(C2)与约30%SOC(D1)放电时的膨胀力峰值之间的强弱关系发生了略微的变化；A模组从250次到700次循环过程中，充电C1的膨胀力峰值从648 kgf增加到749 kgf，C2的峰值增加到738 kgf，D1的峰值增加到732 kgf，与250次时峰值的强弱关系C2> C1> D1不同，在第700次时已经演变为C1> C2> D1。B模组也逐渐呈现出类似的趋势，C1、C2、D1三个峰值在700次时分别增加到590 kgf、580 kgf和569 kgf，100%SOC峰值的强度虽然也在随着循环的进行逐渐增加，但峰值逐渐低于C1，如图4(b)所示。

为了更加清晰地对比C1、C2、D1各个峰值之间的关系，图4(c)绘制了A模组在1800次循环过程中各个膨胀力峰值随循环系数和SOH的演变规律。在初期大约500次循环之前，C2> C1> D1，随着循环次数的增加，在约500次循环即约94%SOH附近C1逐渐演变成最大值，在此后的约300次循环中，基本保持C1> C2> D1这个关系，但在此期间，C2增加平缓，D1增加基本与C1保持一致的增长趋势。在约800次即约92%SOH附近，C2与D1持平，而充电态30%SOC的峰值C1成为膨胀力最大值，在此后的循环中，D1继续与C1保持一致的增长趋势，并维持C1> D1> C2的关系。

本工作进一步验证分析了上述膨胀力峰值与SOH的关系，对比分析了1P8S-B模组在循环过程中各个峰值之间的比值关系C1/C2，C1/D1，D1/C2，如图4(d)所示。C1/C2和D1/C2比值关系呈现较为一致的趋势，说明充、放电30%SOC附近的峰值与100%SOC的比值类似，随循环的进行呈现增长的趋势，并且C1/C2在约94%SOH附近比值超过1，约30%SOC的峰值演变成B模组的膨胀力最大值，D1/C2在约92%SOH附近比值超过1，这与A模组峰值变化的强度类似。此外，C1/D1的比值趋势逐渐减小并趋近1，说明充、放电30%SOC附近的峰值渐渐接近，但是比值始终大于1，意味着充电30%SOC的膨胀力大于放电至30%SOC时的力值。

模组的最大膨胀力随着循环的进行逐渐增加，并表现为先是满电态的峰值，而后为充电态30%SOC的峰值，其主要原因首先是循环时活性锂在石墨负极界面生成SEI及由此产生的副产物在界面堆积，使电池的整体厚度增加而最大膨胀力随循环也逐渐增加；其次，在层状石墨嵌锂的四个阶段中，IV阶向III阶转变时的体积变化斜率大于II阶向I阶转变时的斜率，因此C1(约30%SOC态)的峰值较大。另一方面，由于可逆循环的活性锂减少且SOH发生衰减时的满电态SOC与首次BOL(begin of life)循环时满电态的SOC对应的石墨膨胀力不同，SOH衰减后的活性锂嵌入石墨后已不足以使石墨的体积膨胀变形至最大。例如，当活性锂衰减为最初的90%(即90%SOH)时，活性锂嵌入石墨引起的体积变化可能相当于BOL时充电至90%SOC引起的变化，而根据图3(d)的耦合结果，在SOC为约90%时，充电过程中的平均晶体结构变化与约30%相当。因此，在约92%SOH后期的循环中，充电态约30%SOC的峰值为模组的最大膨胀力而非100%SOC。

最后，本工作对比了不同串联数量的模组单次循环期间最大膨胀力与SOH的关系，如图5所示，随着模组串联数量的增加，模组的最大膨胀力也增加，1P12S的A模组的膨胀力高于1P8S的B模组。说明在模组中，随着电池数量的累加，膨胀力有累加的效果，1P12S的A模组在SOH衰减至70%时，膨胀力达到了2365kgf。此外，根据SOH与膨胀力的关系基于最小二乘法线性回归进行了拟合，如图5所示，单次循环的最大膨胀力在SOH衰减到大约90%后，与SOH呈现线性相关。A模组(_A)与B模组(_B)的膨胀力和SOH()的相关性拟合结果为：

_A = -7429+7532.9，²为0.997

_B = -7402+7305.8，²为0.996

上述关系式的斜率分别为-7429和-7402，相差仅0.3%而近乎相等，表明两个模组的膨胀力随SOH的增长趋势相似，也说明模组的串联数量对膨胀力的增长趋势影响不大。此外，两者的拟合优度²均接近于1，表示这两个模型都能较好地拟合实验数据，预测准确度较高。

膨胀力与SOH的线性关系转折点大约出现在90%SOH附近，这个转折点大概与30%SOC的膨胀力演变为最大膨胀力之后，如图4(c)所示。这说明模组的单次循环最大膨胀力在循环后期呈现线性增长主要是因为在充电30%SOC时的膨胀力呈现了稳定的线性增长趋势。

2.4模组膨胀力的仿真分析

利用CREO分别对1P12S和1P8S在膨胀力夹具的模组形式以及在钢带端板的模组形式(1P12S钢带模组简称A′ ，1P8S钢带模组简称B′ )建立了几何模型[图6(a)和(b)]，模组主要包括端板、钢带、铝排、电芯、硅胶垫、底板等，如爆炸图6(c)所示，模组材料的主要性能参数见表4。然后将几何模型导入Abaqus中对模型进行网格划分，1P8S与1P12S的模组划分的网格数量分别是63.5万及84.0万个。模型的边界条件是模组通过四根M8的螺栓穿过端板的螺栓孔，并施加9.8 N·m的扭矩力打入箱体横梁的螺栓孔中，模组的横梁底部作为固定约束。载荷输入是基于A、B两模组实测数据的线性预测，即在60%SOH时，线性预测的A、B两模组的膨胀力分别是3075.5 kgf和2864.4 kgf，此时需要扣除最初的300 kgf预紧力，获得在60%SOH时1P12S和1P8S模组自身产生的最大膨胀力值，分别为2564.4 kgf和2775.5 kgf。

表4   模组主要材料属性

A′ 和B′ 两模组的膨胀力仿真结果如图7所示，模组在全生命周期产生膨胀力的同时也发生了位移，最大位移均出现在端板的中部位置，如图7(a)和(b)所示，分别是1.42 mm及1.57 mm，可见，1P12S模组产生的膨胀力较大因此膨胀位移也较大。端板及铝排的受力应力云图如图7(c)~(f)所示，端板的最大应力出现在端板底部和上部的加强筋位置，分别是116.6 MPa及131.7 MPa，端板的其他位置受力较为均匀，A′ 及B′ 模组的端板受力均能满足其159.0 MPa的承受强度。而铝排的最大应力在首尾两端，结合模组仿真的位移云图可知，模组两侧的变形量较模组中间位置大，因而对两端的铝排产生较大的拉扯力。A′ 和B′ 铝排的最大应力为27.9 MPa及28.0 MPa，稍微超过铝排27.6 MPa的屈服强度，由此产生的最大位移是0.3 mm及0.5 mm，满足铝排的最大3 mm的位移。铝排因模组的膨胀位移受牵拉，为避免铝排受牵拉发生断裂而影响电连接，铝排的设计选型时要考虑模组内部的位移。因此选用拱形铝排，如图6(c)的放大图，拱桥形变变形的设计值大于3 mm，预留电芯牵扯的位移，由此避免产生电连接失效的安全问题。最后，是钢带与螺栓的应力云图[图7(g)~(j)]，两者在60%SOH的最大应力均小于对应材料的屈服强度。

3 结 论

锂离子电池单次循环过程中产生的膨胀力与SOC有直接的关系，其实际原因是石墨负极材料和磷酸铁锂正极材料的脱嵌锂时产生的相变：

（1）在单次循环过程中产生的膨胀力变化与SOC强相关，在充电30%SOC，100%SOC及放电30%SOC时产生3个膨胀力峰值。

（2）单次循环中膨胀力的变化与石墨的层间嵌锂过程有关，在充电嵌锂时，30%SOC的峰值是由于IV阶→III阶→II阶转变的过程引起的体积变化；60%SOC附近的膨胀力值减小是由于磷酸铁锂材料的体积缩小以及石墨在IIL阶向II阶转变时层间距基本不发生变化；100%SOC时石墨发生II阶向I阶的转变，体积膨胀达到最大。

（3）模组膨胀力中C1、C2、D1三个峰值随SOH的衰减逐渐演变，在92%SOH时C1成为膨胀力的最大值，91%SOH后D1成为第二峰值，100%SOC处的C2成为最小值，但三者都随着SOH衰减逐渐增加。

（4）在SOH衰减至90%以后，模组的最大膨胀力与SOH呈线性相关。模组中电芯串联数量增加时膨胀力也随之增加，但电芯数量的增加没有改变膨胀力的增长趋势。

（5）依据膨胀力的实测及预测数据，对60%SOH的模组膨胀力仿真分析表明，钢带、端板及铝排等主要零部件能够满足全生命周期的设计需要。

本工作通过对模组膨胀力的深入研究，从机理层面揭示了模组膨胀力的变化特征，对模组整个生命周期内的膨胀力的仿真具有重要意义，以及对电池系统的安全设计起着重要的作用。

通讯作者：樊慧敏（1994—），女，博士，研究方向为储能电池的应用。

第一作者：樊慧敏（1994—），女，博士，研究方向为储能电池的应用。