一种测量电池外壳内压力交换的测试案例分析

许多熟悉方形锂离​​子电池构造的人都会说它会呼吸。充电和放电会引起温度变化，电化学和内部组件的机械结构，进而改变内部压力。当制造商试图创建一种高效，轻便和安全的产品时，设计师必须密切了解这些特性，这一点至关重要。

不管是哪个行业，消费电子产品或储能系统，用户都在要求更轻，更紧凑，具有更高能量密度和更快充电的电池。在发生灾难性事件时，它们也必须是安全的。这些功能通常会发生冲突，要找到一个平衡点并保持成本竞争力可能是一个挑战。

在考虑材料和电池构造时，评估压力动态对于维持材料间距，控制放气并防止过度溶胀至关重要。

什么是压力映射？

即使在相对平坦的表面之间，您可能也会发现界面压力分布在峰值压力的局部区域内通常也不均匀。压力映射技术可帮助设计工程师深入了解可能影响设计和质量的领域。

如图1所示，压力映射系统由三部分组成-传感器，扫描电子设备和软件-以其他方法无法提供的方式提供实时，可操作的数据。

图1：设计人员和工程师使用压力映射系统（例如上图所示）来测量两个配合表面之间的界面压力。

传感器是压阻式感应点的阵列，可测量感应区域上的压力分布。传感器将压缩压力负载转换为电阻变化。

 

• 传感器通常具有大约2,000个感测点，但是某些传感器可以设计为具有超过16,000个感测点。
• 传感元件间距（间距）可窄至0.64毫米（0.025英寸）。
• 传感器可以测量高达25,000 PSI（172 MPa）的压力范围
• 高温传感器选项最高可达200​​°C（400°F）

扫描电子设备从传感器收集模拟数据，然后将数据转换为数字信号。

• 扫描速度高达20,000 Hz
• 该软件显示传感器区域的实时活动，使用户可以查看力，压力，接触区域和计时数据。

研究支持的测量叠层压缩应力的方法

尽管许多制造商在制造过程中付出了巨大的努力来维持恒定的烟囱构造，但许多制造商并未将烟囱压力作为其质量程序的一部分进行验证。此外，随着电池的充电和放电，许多电池无法对电池组的内部应力进行量化。

在2013年普林斯顿大学的一项研究1中，研究人员发现，高电池堆压力“对长期电池性能产生了强烈影响，压力水平越高，容量衰减率越高。” 当阳极和阴极分离时，显着的内部压力会导致塑性变形，分层和内部阻抗增加。尽管较低的烟囱压力可提供更好的长期性能，但当压力太低时仍可能发生分层。

寻找住房压力的“最佳地方”成为一项挑战。称重传感器固定装置可以表征电池组件上的平均压力。尽管这项研究成功地测量了循环测试中的平均压力，但压力映射技术为工程师提供了一个机会，使他们可以深入了解此应用并确定特定的压力区域。

测量电池堆应力的新模型

传感元件的薄而灵活的阵列提供了几乎任意两个表面之间不同压力的全面数据。如图2所示，在进行电池充电/放电循环测试时，可以将0.01mm厚的传感器包裹在电池周围，以提供360º的视野。

图2：该模型演示了电池设计人员如何使用压力映射技术来测量在对锂离子电池充电和放电时出现的压力。轻巧而灵活的传感器可紧密贴合在几乎任何固定装置或电池类型之间。

通过压力映射，为研究人员和电池设计人员提供了丰富的评估工具，并了解了不同使用参数对其设计的影响。这些研究帮助设计师找到了适合自己需求的正确材料和最佳结构，从而带来了更好的设计和可重复的结果。

压力映射已用于数月的研究中，以评估数千个充电和放电循环中的压力曲线，该原理可用于评估电池外壳材料。

图3显示了长期电池充电/放电周期测试的五个小时部分的数据。基于这些短期结果，在充电和放电时会发生清晰的界面压力动态变化，包括电池上在充电过程中显示出过大压力的特定区域。 

图3：五个小时的充电/放电循环测试示例。前两个图像显示了放置在固定装置中的电池，而屏幕截图显示了压力输出。

该技术也已用于评估外壳设计或在冲击测试中识别电池上的易损位置。

在尝试优化本文所述的特性时，设计人员切勿损害其产品的安全性。充电过程中温度升高会导致锂化，从而导致放气。电池中其他气体的内部压力会导致外壳或隔板故障，从而导致热失控反应。

压力映射技术已成为一种重要的方法，可以帮助工程师识别棱柱形电池单元几乎任何位置的局部压力区域，从而带来更好的设计决策和更持久的技术。

编辑：hfy