锂电池膨胀力测试工装
发布日期:2025-12-06
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得人精工虽在机械零件制造加工行业，因部分客户为新能源行业，得人精工为客户提供精密零配件，包括锂电池生产/测试/包装等工序所需的工装，刀具，夹具等。
电池膨胀测试工装是其中一款，为客户提供的带有压力传感器的数据采集与调试工装，在锂电池行业应用中为客户解决硬件端服务。也是得人精工为新能源行业，机器人行业，AI应用行业等新领域服务的标志。
对于电池膨胀力测试工装，从电池膨胀现象，到化学原理，应用解决，及工装选择，得人精工精准服务客户，为客户提供全套装置，解决测试应用问题。
1.电池膨胀现象：
电池膨胀测试工装是其中一款，为客户提供的带有压力传感器的数据采集与调试工装，在锂电池行业应用中为客户解决硬件端服务。也是得人精工为新能源行业，机器人行业，AI应用行业等新领域服务的标志。
对于电池膨胀力测试工装，从电池膨胀现象，到化学原理，应用解决，及工装选择，得人精工精准服务客户，为客户提供全套装置，解决测试应用问题。
1.电池膨胀现象：
电芯膨胀力的产生，主要是由负极引起的，因为在电芯充放电循环过程中，锂离子嵌入层状材料，造成极片厚度增大，这种膨胀是可逆的；另外一种不可逆的膨胀则主要是在化成过程形成SEI膜时产生气体造成的，锂离子电池充放电过程中会产生气体，电池会有不同程度的膨胀，膨胀过程会呈现电池对外有一个作用力，即膨胀力！
膨胀力的出现，会给电芯和模组均带来危害。锂离子电池充放电引起的膨胀力一方面会影响电池装配空间的形变，另一方面，不可逆的膨胀累积也会引起结构材料的破坏，从而加快容量衰减。对于模组，如果膨胀力应对不当，会造成模组尺寸超差，甚至破坏结构框架。这是因为电芯的膨胀力还是相当大的，同样以三星SDI 94Ah为例，其最大的膨胀力（在EOL80%时）可达到25kN；宁德时代某37Ah的电芯，膨胀力在模组设计时也考虑到了14kN。
当前，锂离子电池技术面临诸多挑战，锂电池失控自燃引发的火灾事故频发，给生命财产安全带来危害。
锂离子电池热失控预警主要是通过监测电池温度的变化和内部气体的产生。研究发现，锂离子电池在发生冒烟、燃烧甚至爆炸之前，其壳体会发生明显的膨胀形变，电池内部的压力明显变化。
电池膨胀比气体溢出发生得更早，因此，展开研究锂电池膨胀行为研究，总结造成锂电池膨胀变形的原因，对于优化锂电池材料结构安全性，开发锂电池热失控预警系统具有重要意义。
2.电池膨胀原理：
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1）.可逆形变
在充电过程中，由正极材料发生分解反应产生的锂离子在电场力的作用下扩散至负极，并嵌入负极材料中，反应过程如下所示：
锂离子的嵌入与脱嵌对碳材料的影响更为突出，因此负极材料的体积变化大于正极材料，导致锂电池在充电过程中发生体积膨胀，但是放电过程中，锂离子又从负极材料中脱嵌，经过隔膜，在电场力的作用下返回正极材料，随后与材料上的电子结合，重新嵌入到正极材料中，使电池厚度变小。
在锂电池的使用过程中，由于此反应的存在，因此可以进行多次的充放电过程，因此此膨胀为可逆形变。
2）、不可逆形变
研究表面，造成电池不可逆形变的原因可分为两类：SEI膜的生成增厚、充放电副反应导致内部产气膨胀。
电池在首次充放电的过程中，负极与电解液会发生不可逆的反应，生成SEI膜，用于保护负极材料且不影响锂离子通行，但SEI膜并不能够完全阻止负极与电解液的反应，随着反应的逐渐进行，SEI会逐渐增厚，同样导致了电池的不可逆形变。
锂电池在充放电的过程，会在一定程度上发生一些副反应，包括电解液的分解，电解液与水的反应，产生CO2、H2、O2与烃类气体，使电池的体积发生了不可逆形变
3）、压力对电池的影响
此外，锂电池通常以多块电芯串并联组成电池模组，需要用一定的压力固定锂电池，适当的压力可以使得电池内部正负极极与隔膜之间接触紧密，提升电池充放电反应界面，降低电池内阻与极化，从而使得电池的循环稳定性与高倍率充放电性能得到提高。
压力过低会使得电极反应面积降低，反应界面恶化，电池内阻与极化提高，电池容量降低，在长循环后还会导致电极材料从集流体上脱落，严重影响电池寿命。
压力过高会破环电极材料与隔膜的孔隙结构，反应界面恶化，电池内阻增肌，从而造成电池容量的迅速衰减，严重时还会造成电池内部短路，产生热失控等的风险。
3.电池膨胀力测试方法
如何直接测量电池膨胀力？
最核心且主流的方法是在电池表面或测试夹具中集成高精度压力传感器。常见技术路线有两种：
一是将微型压阻式或压电式传感器阵列直接置于电芯表面或叠片/卷芯层间，实时感知局部压力变化；
二是利用薄膜压力传感器（如FSR）紧贴电池外壳，或在刚性测试夹具内壁布置传感器，测量电池整体膨胀对外施加的合力。这些方法能直接、连续捕获充放电循环中动态的电池膨胀力，数据可靠直观，是目前研发和产线验证的基石。
替代方法能否精确捕捉电池膨胀力？
虽然直接压力传感是金标准，但研究者也探索了其他间接或补充手段。例如，激光位移传感器或光学干涉仪可非接触式高精度测量电池厚度变化，再结合电芯材料的力学模型（如杨氏模量）推算理论膨胀力。
另一种方案是在电池外壳特定位置粘贴电阻应变片，通过形变反推应力。然而，这些方法受模型准确性、安装位置敏感性和环境振动影响较大，难以媲美直接压力传感对电池膨胀力的实时、原位捕捉精度和稳定性，通常作为辅助验证。
如何模拟真实工况下的电池膨胀力？
理解电池在实际复杂环境下的膨胀行为同样关键。这需要在环境模拟测试箱内进行原位测量：将集成压力传感器的电池置于可控温湿度、充放电倍率及机械约束（如特定夹紧力）的夹具中，模拟电动车加速、高温存储等场景。
这种测试能揭示温度、SOC（荷电状态）和机械边界条件如何共同影响电池膨胀力的演变规律，为电池包结构设计和热管理策略提供直接依据。
在众多检测手段中，集成压力传感器进行直接测量无疑是当前捕捉电池膨胀力最常用、最可靠的核心技术，尤其以阵列式和薄膜传感器应用最为广泛。
4.测试工装的选择
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依得人精工制作的电池膨胀力测试工装为例，实验平台主要由薄膜压力传感器、电池夹板、充放电设备、上位机和高精度信号采集器组成。
该设备主要由伺服电机施压机构、高精度测厚机构、压力测试机构、数据采集系统和数据处理软件等部分组成。通过伺服电机对电芯进行施压，并同时控制恒定的间隙，实现电芯在充放电循环中的膨胀力测试。
伺服电机施压机构：用于对电芯施加恒定的压力或间隙，确保测试过程中的稳定性和准确性。高精度测厚机构：用于测量电芯在充放电循环中的厚度变化，评估电芯的膨胀情况。压力测试机构：实时监测电芯在测试过程中的压力变化，确保测试数据的准确性。数据采集系统：采集测试过程中的数据，包括电芯的厚度变化、压力变化等，为后续的数据分析提供基础。数据处理软件：对采集到的数据进行初步处理，生成图表和表格，形成测试数据报告。
电池充放电设备通过上位机编写的工况对电池进行充放电，并能记录电流、电压、容量等数据；压力传感器能够检测到电池受到的挤压力变化，而得人精工这套电池膨胀力工装数据采集系统能够读取这些压力传感器的读数，从而记录电池表面压力的动态变化。
通过精确测量与分析，可以评估电芯在充放电循环中的膨胀性能，为电池设计、生产工艺的优化提供科学依据。
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