為了擁抱汽車電動化浪潮，2017年9月捷豹路虎宣布2020年之後生產的全部捷豹、路虎車型都將增加純電動或混合動力模式。不過近兩年捷豹路虎的日子不太好過，在華銷量持續下滑，2018年更是嚴重虧損同時宣布裁員計劃。前段時間甚至傳出國內的長城有意收購捷豹路虎。不過有一說一，作為知名車企，捷豹路虎在動力電池領域的研究還是很深入的，僅從其參與的論文發表即可見一斑[1-3]。
無論是圓柱電池、軟包電池還是方形電池，在電動車中使用時都是處於力約束狀態，譬如模組的形式。力約束一方面是起到固定電池的作用，同時最大限度消除電池充放電和長期使用過程膨脹對電池性能帶來的負面影響。如何更好地對電池進行力約束一直是值得探討的研究方向。在此問題上，德國大眾就曾研究過不同約束方式對NMC622軟包電池電性能的影響[4]。對於目前各個企業正在積極研發的矽氧/矽碳負極體系電池，由於體積膨脹更大，將來的力約束更是個大問題。本文要介紹的工作來自捷豹路虎的工程師Julie Chevalier和英國華威大學的研究人員共同開展的研究，通過對比不同約束壓力（無約束、5 psi和15psi）下15 Ah NMC軟包電池循環和功率性能，結果顯示約束壓力對電池循環和倍率特性有顯著影響，這也啟發電池應用工程師在模組和pack設計時應該充分考慮電池的約束問題。
圖文淺析：
圖1.實驗軟包電池裝配圖。
實驗所用為15Ah NMC體系的軟包電池，電池尺寸18.6*16.5*5.6cm。循環過程電池用尺寸20*20*2.5cm的鑄鐵夾具固定，具體示意如上圖所示（註：圖中夾具似乎鏽蝕的有些厲害…）。為了考察約束壓力的影響，作者根據該電池在整車端模組、pack中的實際約束條件選擇了三組壓力：0 psi、5 psi和15psi。軟包電池所受壓力通過壓力傳感器片進行測量，循環測試在25℃溫箱中進行。電池在50%-100%SOC之間以1C進行循環，在150、300、450、600、800、950、1200周停止進行容量保持率、脈衝功率和EIS測試，直至電池容量衰減30%循環測試停止。
圖2.5 psi (a)和15 psi (b)約束狀態下電池表面壓力分布。
圖2是壓力傳感器片所測得的5 psi和15psi約束狀態下電池表面的壓力分布狀態。可以看到與通常認為的受壓下電池表面壓力均勻分布不同：(1) 5 psi約束狀態下電池邊緣部位壓力較高、中間部分壓力相對較小。雖然夾具固定時定義的壓力為5 psi，但可以看到電池中間部分區域所受壓力為3-4 psi，甚至局部出現1-2 psi；(2)15 psi約束狀態下電池表面整體受力較為均勻，只有極少面積壓力值較低。註：從圖2結果看電池在夾具固定時如何確保電池整體受力均勻是非常值得關注的，夾具的平整度、螺母固定的順序及固定工具都需要仔細檢查。
圖3.不同約束壓力下電池EIS對比。
同0psi相比，5psi和15psi約束狀態下電池純歐姆電阻分別增加了0.74m和0.58m。根據雙電層電容公式C=εS/d=εS/4πkd(式中C為電容值，ε為材料相關常數，S為電容極板正對面積，k為靜電力常數，d為極板間距離)，受壓狀態下電池的雙電層電容增大，同時電解液的浸潤性提高、電荷轉移電阻降低，二者共同導致圖3中受壓狀態下的EIS圖圓弧區域面積較0psi減小。此外，電池在受壓狀態下隔膜會發生一定程度的蠕動導致電極間的離子傳導率降低，最終導致純歐姆電阻增大。
圖4.不同壓力約束下電池循環性能對比。
圖5.電池不同壓力約束循環過程EIS對比。
從圖4中我們可以清楚看到約束壓力對電池循環性能的影響。在前450周，循環曲線幾乎重合，約束壓力對電池循環性能的影響並不明顯。但從450周以後，0psi電池的容量衰減明顯更快，其次是5psi，容量保持最好的是15psi約束的電池。循環1200周，0psi、5psi和15psi約束的電池容量分別衰減11.0%、8.8%和8.4%。與循環容量結果相對應，循環過程電池的純歐姆電阻均在不斷增加，循環1200周0 psi、5psi和15 psi約束的電池純歐姆電阻分別增加了19.6%、31.7%和18.2%。並且從圖5中還可以看到前600周純歐姆電阻的增加速率高於後600周。
圖6.電池5psi和15psi約束下循環150周和1200周後表面壓力分布。
圖2顯示電池剛5psi約束時其表面壓力分布不均勻，邊緣部位壓力較大而中間部分區域壓力值較低。但從圖6a和圖6c我們可以看到循環後電池表面的壓力分布不僅變得更為均勻，而且壓力值較初始固定時所採用的5psi有所提高，局部甚至超過了6psi。圖2顯示電池剛15psi約束時其表面壓力分布較為均勻，但從圖6b和圖6d中卻可以清晰看到循環後電池表面壓力分布不均勻，同時整體壓力值較電池初始固定時所用的15psi有所提高。
小結：約束狀態對動力電池的性能有非常大的影響，捷豹路虎的該工作雖然略顯粗糙，但拋磚引玉，希望能引起動力電池企業和整車企業電池應用工程師對該問題的思考，在實際工作中充分研究和考慮約束狀態的影響，將電池的性能發揮到極致。
Anup Baraia,Ravichandra Tangiralaa, Kotub Uddina, Julie Chevalierb, Yue Guoa, Andrew McGordona,Paul Jennings. The effect of external compressive loads on the cycle lifetimeof lithium-ion pouch cells. Journal of Energy Storage13 (2017)211–219.
文/彎月