磷酸鐵鋰動(dòng)力電池充放電膨脹力研究

摘要：磷酸鐵鋰電池作為最主要的電化學(xué)儲(chǔ)能手段，伴隨新型電力系統(tǒng)快速建設(shè)受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。磷酸鐵鋰電池充放電過(guò)程所形成的膨脹力及內(nèi)部應(yīng)力變化是一個(gè)新興的熱點(diǎn)研究問(wèn)題。本文開(kāi)發(fā)了電池內(nèi)膨脹應(yīng)力在線測(cè)試裝置，完成了不同充放電工況下磷酸鐵鋰電池的膨脹力測(cè)試，開(kāi)展了電池電化學(xué)性能與力學(xué)性能的時(shí)間、空間演變規(guī)律的相關(guān)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電池荷電狀態(tài)-膨脹力曲線具有可逆性及累積性，同時(shí)膨脹力變化速率與電極材料的反應(yīng)速率密切相關(guān)。值得注意的是，當(dāng)磷酸鐵鋰電池溫度上升時(shí)，內(nèi)部膨脹力顯著上升，該指標(biāo)可作為電池?zé)崾Э匾约皟?chǔ)能系統(tǒng)安全研究的關(guān)鍵預(yù)警信號(hào)。

關(guān)鍵詞：磷酸鐵鋰電池；膨脹力；內(nèi)部應(yīng)力；熱失控預(yù)警

中圖分類號(hào)： TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： ADOI：10.3969/j.issn.1007-791X.2025.02.005

0引言

為減少碳排放，助力雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)受到市場(chǎng)的熱烈青睞。目前，磷酸鐵鋰電池具有輸出電壓高、能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。在鋰離子電池的快速發(fā)展過(guò)程中，出現(xiàn)了電池容量急劇下降、形變嚴(yán)重、內(nèi)短路甚至誘發(fā)熱失控等問(wèn)題，這些問(wèn)題不僅降低了電池的性能和使用壽命，還帶來(lái)了安全隱患[1-2]。目前，對(duì)動(dòng)力電池安全問(wèn)題的研究主要集中在熱失控現(xiàn)象上，但是對(duì)于電池的力學(xué)特性關(guān)注不足。然而，電池所受的外部機(jī)械壓力和內(nèi)部應(yīng)力是引發(fā)內(nèi)部短路并可能觸發(fā)熱失控的關(guān)鍵因素之一。

鋰電池產(chǎn)生的應(yīng)力按照來(lái)源可分為兩部分[3]，一部分是來(lái)自外部的機(jī)械壓力，例如來(lái)自外部的擠壓、碰撞、針刺等狀況[4]。另一部分的應(yīng)力來(lái)源于鋰電池內(nèi)部的擴(kuò)散應(yīng)力，鋰化反應(yīng)時(shí)鋰離子嵌入活性顆粒，會(huì)造成顆粒體積的膨脹，而鋰離子在活性顆粒中脫出時(shí)，又會(huì)造成顆粒體積的收縮，正負(fù)極材料的膨脹特性不同會(huì)造成電池體積的變化。活性顆粒的膨脹與收縮會(huì)在電極上引起擴(kuò)散應(yīng)力的產(chǎn)生[5]。同時(shí)電池的溫度變化會(huì)導(dǎo)致材料熱脹冷縮并產(chǎn)生熱應(yīng)力。

針對(duì)電池充放電過(guò)程中的膨脹力，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[6-7]對(duì)軟包電池在不同壓力下的壽命影響進(jìn)行了研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了實(shí)驗(yàn)電池電化學(xué)性能最優(yōu)的外部壓力范圍，并通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)延長(zhǎng)電池的使用壽命。牛少軍等人[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了硅基負(fù)極材料在充放電過(guò)程中的表面壓力，并在不同溫度下測(cè)定了容量與表面壓力的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)容量衰退與外加壓力之間存在明顯的線性關(guān)系，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了緩沖裝置，將電池在充放電過(guò)程中的最大壓力降低至原來(lái)的50%。林春景等人[9]研究了鋰電池在不同溫度、不同倍率下充電時(shí)膨脹力的變化規(guī)律，并使用容量增量曲線從機(jī)理上解釋膨脹力的變化規(guī)律，以提升電池的安全性能。張立軍[10]通過(guò)不同充放電倍率的實(shí)驗(yàn)測(cè)試探究磷酸鐵鋰軟包電池的電化學(xué)特性、形變和溫度隨時(shí)間的變化，利用SOC與形變的分段特性進(jìn)行SOC估計(jì)。Li等人[11]研究了SOC與內(nèi)應(yīng)力之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)SOC與內(nèi)應(yīng)力之間存在顯著的依賴性，隨著電池SOC的變化，其內(nèi)部的力學(xué)行為也會(huì)相應(yīng)變化，這種變化對(duì)電池的安全性能至關(guān)重要。

綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來(lái)看，當(dāng)前學(xué)者們已經(jīng)對(duì)鋰離子電池表面應(yīng)力的測(cè)量做出了廣泛研究，其成果為本文的研究提供一定的基礎(chǔ)。本文通過(guò)搭建電池膨脹力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量不同工況下電池表面壓力的大小，通過(guò)相變過(guò)程中的體積變化對(duì)表面壓力特性曲線進(jìn)行解釋，從而闡明電池表面壓力的變化機(jī)制。通過(guò)測(cè)量不同位置的表面壓力發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)部膨脹的不一致性，從而為電池組的固定提供參考。通過(guò)變溫實(shí)驗(yàn)測(cè)量表面壓力，發(fā)現(xiàn)壓力信號(hào)的監(jiān)測(cè)可以與其他指標(biāo)相結(jié)合，對(duì)熱失控預(yù)警進(jìn)行預(yù)判，因此對(duì)電池充放電過(guò)程中膨脹力的研究是十分必要的。

1實(shí)驗(yàn)方案

1.1實(shí)驗(yàn)對(duì)象

本文選用實(shí)驗(yàn)對(duì)象為20 Ah磷酸鐵鋰軟包電池，正負(fù)極集流體材料為鋁和銅，電極極片采用的是層疊方式，主要參數(shù)如表1所示。

1.2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

如圖1所示，電池夾具主要由兩塊與實(shí)驗(yàn)電池大小適合的鋁合金板組成，通過(guò)螺栓與螺絲調(diào)節(jié)施加在電池表面的壓力，固定電池的間距。在鋰離子電池充放電的過(guò)程中，當(dāng)電池平面被夾具約束后，電池內(nèi)部會(huì)因夾板施加的壓力而產(chǎn)生應(yīng)力，電池內(nèi)部物質(zhì)發(fā)生應(yīng)變來(lái)緩解所受應(yīng)力，這就造成了電池體積的變化，而電池體積變化會(huì)對(duì)夾具產(chǎn)生擠壓力，這就會(huì)造成電池表面所受壓力的變化，表面壓力的變化反映了鋰電池內(nèi)部擴(kuò)散應(yīng)力的變化。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由薄膜壓力傳感器、電池夾板、充放電設(shè)備、上位機(jī)和高精度信號(hào)采集器組成，如圖2所示。電池充放電設(shè)備通過(guò)上位機(jī)編寫的工況對(duì)電池進(jìn)行充放電，并能記錄電流、電壓、容量等數(shù)據(jù)；壓力傳感器能夠檢測(cè)到電池受到的擠壓力變化，而安捷倫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠讀取這些壓力傳感器的讀數(shù)，從而記錄電池表面壓力的動(dòng)態(tài)變化。

為探究電池平面上不同位置的膨脹力，在電池平面上取一定的數(shù)量點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，如圖3所示。

1.3實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置

1.3.1不同充放電倍率下電池表面壓強(qiáng)測(cè)試

將壓力傳感器貼至電池中心，通過(guò)調(diào)節(jié)螺絲將電池表面壓力調(diào)整至100 kPa。將電池放入25 ℃的溫箱中，分別以0.5 C、1 C、1.5 C的倍率進(jìn)行恒流恒壓充電和恒流放電，同時(shí)測(cè)量電池表面的壓力。

1.3.2不同位置處的電池表面壓強(qiáng)測(cè)試

在初始?jí)毫?00 kPa的條件下測(cè)量電池不同位置的表面壓力變化。標(biāo)定位置后，連接線路，將電池放入溫箱中，對(duì)于1、2號(hào)位置完成1 C三次充放電；3、4、5號(hào)位置完成0.5 C、1 C、1.5 C各三次充放電試驗(yàn)。

1.3.3不同溫度下的電池表面壓強(qiáng)測(cè)試

將初始?jí)簭?qiáng)為100 kPa的電池放入溫度為5 ℃的溫箱內(nèi)，靜置3 h。設(shè)置溫箱以0.3 ℃/min的速率升溫，同時(shí)給電池施加0.5 C的電流進(jìn)行恒流恒壓充電。電壓達(dá)到截止電壓后立即進(jìn)行0.5 C放電，同時(shí)改變溫箱的運(yùn)行狀態(tài)，以0.3 ℃/min的速率降溫直至0 ℃。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1不同倍率下充放電時(shí)電池表面壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖4是0.5 C倍率下電池的表面壓強(qiáng)隨電壓和時(shí)間的變化曲線，在0.5 C、1 C、1.5 C下實(shí)驗(yàn)測(cè)得電池表面壓強(qiáng)隨SOC變化結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，磷酸鐵鋰電池在充電時(shí)表面壓強(qiáng)上升，放電時(shí)表面壓強(qiáng)下降，在充放電過(guò)程中均出現(xiàn)了明顯的波峰波谷現(xiàn)象，在充放電過(guò)程中，壓強(qiáng)的變化并不是完全對(duì)稱的，隨倍率的增大，放電過(guò)程中的表面壓強(qiáng)越大，電池累積的壓力越大。

比較三種倍率下的表面壓強(qiáng)曲線可得，在初始?jí)簭?qiáng)相同的情況下，充電倍率越大，表面壓強(qiáng)峰值越大。這是因?yàn)殡娏鞯拇笮〔煌斐蓛?nèi)部鋰離子的遷移速度不同，電流越大，鋰離子的遷移速度越快，同時(shí)嵌入活性顆粒的鋰離子就越多，體積變化率越大，固相鋰離子濃度梯度越大，這就造成內(nèi)部應(yīng)力的變化，如式（1）所示：σe（r）=|σr（r）－σθ（r）|=

EΩ3（1－v）（cav（r）－cs（r）），（1）式中：σe為范式等效力；σr、σθ分別為徑向、環(huán)向擴(kuò)散應(yīng)力；E為楊氏模量；Ω為偏摩爾體積；v為泊松比；cav（r）－cs（r）表示活性顆粒內(nèi)部的固相鋰離子濃度差。

由此可得鋰電池內(nèi)部的擴(kuò)散應(yīng)力與濃度梯度的大小成正比，即濃度梯度越大，擴(kuò)散應(yīng)力也越大，從而導(dǎo)致電池表面的壓力增加。比較各倍率放電結(jié)束時(shí)的壓強(qiáng)值可以看出，在較小的倍率0.5 C下，電池壓強(qiáng)恢復(fù)到100 kPa，但是在1 C、1.5 C倍率下，壓強(qiáng)值在放電結(jié)束時(shí)均大于100 kPa，表明電池發(fā)生了較為明顯的不可逆膨脹。隨著放電倍率的增加，不可逆膨脹和壓力累積也相應(yīng)增加。從圖6中可以明顯看出，倍率越大電池充放電時(shí)產(chǎn)生的不可逆膨脹越多，殘余應(yīng)力越大。動(dòng)力電池在經(jīng)歷上千次循環(huán)的動(dòng)態(tài)充放電時(shí)，累積的壓力相較于恒流放電要更多，大倍率放電的工況越多，壓力累積越多，電池要緩解這種壓力就要產(chǎn)生更大的形變。當(dāng)活性顆粒所受的應(yīng)力超過(guò)其承受極限時(shí)，活性顆粒可能會(huì)破裂，從而導(dǎo)致電池容量下降，并加速電池老化。因此緩解電池在充放電過(guò)程中的壓強(qiáng)對(duì)于電池安全運(yùn)行以及提高電池壽命均有益處。

2.2不同位置處表面壓強(qiáng)測(cè)試結(jié)果

如圖7所示，在1、2號(hào)位置，電池的變面壓力變化趨勢(shì)基本相同，壓強(qiáng)的數(shù)值相接近，可以看出，在前兩個(gè)循環(huán)中，充電時(shí)1號(hào)位置產(chǎn)生的表面壓強(qiáng)要大于2號(hào)位置，只有在第三次循環(huán)時(shí)，充電末期2號(hào)位置的表面壓強(qiáng)超過(guò)1號(hào)位置。由于1、2號(hào)位置更接近極耳，因此表面壓強(qiáng)的波動(dòng)性更大。在圖8中可以看出充電時(shí)在波谷結(jié)束之前，1號(hào)位置的表面壓強(qiáng)始終大于2號(hào)位置。

圖9是3、4、5號(hào)位置處的表面壓強(qiáng)曲線，3號(hào)位置處的壓強(qiáng)曲線較平穩(wěn)，隨著倍率的增大，最大壓強(qiáng)值略有增加，每次放電結(jié)束后的壓強(qiáng)值均低于100 kPa，出現(xiàn)了“應(yīng)力松懈”現(xiàn)象。4號(hào)處的壓強(qiáng)曲線明顯低于位置3與位置5，這是因?yàn)樵诔浞烹娺^(guò)程中電池平面各位置產(chǎn)生的形變不同使得位置4處的壓力傳感器與夾具之間并不是緊密接觸而造成的測(cè)量差異，4號(hào)位置處的最大壓強(qiáng)隨倍率的增大和循環(huán)的增加而上升。在電池平面的5號(hào)位置處，電池的表面壓強(qiáng)最大，并且應(yīng)力累積更嚴(yán)重，隨著循環(huán)的進(jìn)行，最大壓強(qiáng)值不斷增大，這說(shuō)明此處產(chǎn)生的體積變化最大，與夾具之間的擠壓最強(qiáng)。

2.3溫度變化時(shí)電池表面壓強(qiáng)測(cè)量結(jié)果

如圖10所示，在不同溫度條件下對(duì)實(shí)驗(yàn)電池進(jìn)行充放電時(shí)，可以觀察到電池表面壓強(qiáng)隨著溫度和充電狀態(tài)的變化而變化。與在恒定溫度下充放電相比，變化溫度下的電池表面壓強(qiáng)變化更為顯著，且變化速度更快。在高溫條件下，由于材料的熱脹冷縮效應(yīng)，電池體積在放電后不會(huì)完全收縮回充電前的狀態(tài)，而是保持一定的膨脹。這解釋了為什么在放電結(jié)束后，電池表面壓強(qiáng)在一段時(shí)間內(nèi)保持不變的現(xiàn)象。

在電池充電過(guò)程中，表面壓強(qiáng)隨著電壓的增加而上升。當(dāng)充電達(dá)到截止條件時(shí)，壓強(qiáng)值從100 kPa升至434 kPa，這一數(shù)值明顯超過(guò)了0.5 C倍率下恒溫充放電時(shí)記錄的最大壓強(qiáng)值。隨著溫度和荷電狀態(tài)的上升，盡管表面壓強(qiáng)的變化不再呈現(xiàn)恒溫條件下的波峰波谷現(xiàn)象，但壓強(qiáng)的增長(zhǎng)仍然出現(xiàn)了減緩的階段。這一現(xiàn)象與電池內(nèi)部活性材料的相變密切相關(guān)。而在其放電過(guò)程中，即使溫度下降，電池表面的壓強(qiáng)也沒(méi)有下降而是持續(xù)上升，增長(zhǎng)速度有所放緩，最大值為548.15 kPa，放電結(jié)束時(shí)達(dá)到497 kPa，一次充放電壓強(qiáng)變化為初始?jí)簭?qiáng)的397%。在充電結(jié)束后，通過(guò)測(cè)量靜置過(guò)程中的溫度和壓強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)壓強(qiáng)呈緩慢下降趨勢(shì)，鋰離子電池內(nèi)部運(yùn)動(dòng)歸于“平靜”，電池膨脹減小。這時(shí)再次恒速率升溫，發(fā)現(xiàn)壓強(qiáng)并沒(méi)有明顯的趨勢(shì)改變，說(shuō)明溫度的變化對(duì)擱置狀態(tài)下的鋰電池表面壓強(qiáng)影響不如充放電時(shí)大。

在充電過(guò)程中，溫度的變化造成電壓平臺(tái)的變化，如圖11所示的電壓曲線，溫度對(duì)磷酸鐵鋰電池的電化學(xué)性能有顯著影響，恒溫充電的電壓平臺(tái)高于變溫充電，并且恒壓充電的時(shí)間更長(zhǎng)，而變溫充電由于后期溫度升高，充入的電量更多，恒壓充電時(shí)間更短。

由此可推斷，在電動(dòng)汽車行駛過(guò)程中，動(dòng)力電池處在復(fù)雜的工作環(huán)境中，其電流、溫度、外部壓力都在發(fā)生著變化。從力學(xué)角度分析，電池在變溫條件下內(nèi)部的應(yīng)變和應(yīng)力與恒溫條件下有顯著差異，且在變溫條件下電池的膨脹更為顯著。在電池發(fā)生熱失控的早期，電壓與溫度變化不明顯，對(duì)于熱失控的預(yù)警存在偏差。通過(guò)圖11可以看到電池變溫運(yùn)行時(shí)，壓力的變化十分迅速且壓力值變化明顯，這說(shuō)明相對(duì)于溫度的變化，電池體積的變化更早、更迅速，因此將壓力檢測(cè)傳感器與溫度、電壓檢測(cè)相結(jié)合，共同作為電池?zé)崾Э氐念A(yù)警信號(hào)，不僅能提高預(yù)測(cè)的精度還能提高預(yù)測(cè)的速度。

2.4電池膨脹機(jī)制解釋

由圖12可得電池在充電時(shí)隨著鋰離子不斷地嵌入石墨負(fù)極，石墨活性顆粒體積會(huì)膨脹，導(dǎo)致電池體積增大，從而使得電池表面壓力上升。然而，在SOC=[0.3，0.7]時(shí)，電池表面壓力的變化呈現(xiàn)出先上升后下降再上升的趨勢(shì)，直到充電結(jié)束時(shí)達(dá)到最大值。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是鋰離子在插入石墨負(fù)極上的活性顆粒時(shí)伴隨著相變過(guò)程，會(huì)生成不同的中間化合物，石墨的層間距會(huì)發(fā)生變化從而導(dǎo)致體積變化不再是像充電起始時(shí)的近似線性上升。在這一SOC區(qū)間內(nèi)，伴隨著碳原子從C18向C12、C6結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，石墨層間距保持相對(duì)穩(wěn)定，石墨顆粒的膨脹并不顯著。因此，在充電過(guò)程中，該SOC區(qū)間內(nèi)的電池表面壓力變化相對(duì)較小。

在放電時(shí)，壓強(qiáng)在SOC=[0.2，0.9]變化更加接近正弦函數(shù)變化，說(shuō)明此時(shí)正負(fù)極的相變而導(dǎo)致的體積變化相對(duì)于充電時(shí)更大，充放電時(shí)的相變過(guò)程并不完全一致。磷酸鐵鋰電池的膨脹主要來(lái)自于石墨負(fù)極，正極的影響很小。在電池放電時(shí)鋰離子從石墨負(fù)極脫離，負(fù)極活性顆粒收縮，因此表面壓力下降。在放電時(shí)，石墨負(fù)極從LiC6化合物逐步轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)iC12和LiC18化合物，這一過(guò)程中石墨層間距變化不大，導(dǎo)致負(fù)極體積變化較小，因此外部壓力的變化也不顯著。與此同時(shí)，正極的FePO4在得到鋰離子后轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)iFePO4，伴隨著體積膨脹。在這一階段，正極材料的體積變化起主導(dǎo)作用，導(dǎo)致電池整體壓力上升。石墨相變結(jié)束后，負(fù)極的活性顆粒進(jìn)一步失去鋰離子，體積收縮，層間距縮小，負(fù)極占據(jù)主導(dǎo)地位，電池整體體積收縮，因此壓力再次下降，直到充電結(jié)束。

由圖13可知電池的表面壓強(qiáng)和SOC有很強(qiáng)的依賴性，對(duì)于1 C、1.5 C的表面壓強(qiáng)曲線也有相同的關(guān)系。通常，電池電壓、電流和溫度等外特性參數(shù)可直接測(cè)量，這些參數(shù)能夠體現(xiàn)電池內(nèi)部的狀態(tài)變化。在電池的電壓平臺(tái)階段，電壓的變化幅度僅為0.07 V，相對(duì)較小，然而電池表面壓力的變化卻遠(yuǎn)大于電壓的變化，波動(dòng)更為明顯。根據(jù)本文的工作，可以將表面壓力的測(cè)量作為電池充放電時(shí)又一可實(shí)時(shí)測(cè)量的外部信號(hào)，由于表面壓力的變化與活性顆粒的的嵌鋰和脫鋰過(guò)程直接相關(guān)，因此壓力信號(hào)比電壓信號(hào)更能反映鋰離子的擴(kuò)散過(guò)程與濃度變化。這對(duì)于SOC的估計(jì)有重要意義，可以將表面壓力作為SOC估計(jì)的一種輔助方法，提高估計(jì)的準(zhǔn)確性。

3結(jié)論

本文開(kāi)發(fā)了電池內(nèi)膨脹應(yīng)力在線測(cè)試裝置，通過(guò)該裝置對(duì)20 Ah磷酸鐵鋰軟包電池在多種工況下進(jìn)行了表面壓力的實(shí)際測(cè)量，并繪制出了電池表面壓力的特性曲線。通過(guò)不同倍率的充放電實(shí)驗(yàn)，觀察到電池表面壓力的累積效應(yīng)：充放電倍率越高，循環(huán)次數(shù)越多，壓力累積也越顯著。當(dāng)這種壓力累積達(dá)到一定程度時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致電極顆粒破裂，從而引起電池容量的損失。在極端情況下，這種壓力累積甚至可能觸發(fā)熱失控現(xiàn)象。由于電池表面不同位置的壓力分布存在差異，固定電池時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)壓力峰值區(qū)域，以防止因擠壓而產(chǎn)生過(guò)大的機(jī)械壓力，從而避免對(duì)電池造成損傷。通過(guò)變溫實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電池的表面壓力對(duì)溫度的變化較為敏感，使用薄膜壓力傳感器對(duì)壓力進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電池溫度上升時(shí)，內(nèi)部膨脹力顯著上升。因此，未來(lái)研究中可以將壓力檢測(cè)與電壓、溫度信號(hào)檢測(cè)相結(jié)合并作為電池?zé)崾Э仡A(yù)警的關(guān)鍵性指標(biāo)，不僅能提高預(yù)警的準(zhǔn)確性，還能加快預(yù)警的響應(yīng)速度。

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Study on expansion internal stress of LFP battery during charging or discharging

WANG Kefei1， LIU Tong2， ZHANG Mei2， ZHAO Yangmei2， SHI Wei2

（1.CHN Energy Iamp;C Technology Co.Ltd.， Beijing 100037， China；2. School of Electrical Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China）

Abstract： As the most important electrochemical energy storage method， lithium iron phosphate battery has attracted more and more attention with the rapid construction of new power system. The expansion force and internal stress change formed by the charging and discharging process of lithium iron phosphate battery is an emerging hot research issue. In this paper， an online test device for the expansion stress in the battery was developed to complete the expansion force test of lithium iron phosphate battery under different charging and discharging conditions， and the related research on the time and space evolution of the electrochemical performance and mechanical properties of the battery was carried out. The experimental results show that the state of charge-expansion force curve of the battery is reversible and cumulative， and the change rate of the expansion force is closely related to the reaction rate of the electrode material. It is worth noting that when the temperature of lithium iron phosphate battery rises， the internal expansion force increases significantly. This index can be used as a key early warning signal for battery thermal runaway and energy storage system safety research.

Keywords： lithium-ion batteries; expansion force;internal stress；thermal runaway warning

收稿日期：2023-08-03責(zé)任編輯：溫茂森

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52177206）；國(guó)家能源集團(tuán)科技項(xiàng)目（GNXK-2022-03）

作者簡(jiǎn)介：王克飛（1988-），男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娀瘜W(xué)儲(chǔ)能；*通信作者：時(shí)瑋（1984-），男，山西長(zhǎng)治人，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閯?dòng)力電池安全評(píng)估與電池管理系統(tǒng)，Email：weishi@bjtu.edu.cn。