机械约束如何改变棱柱形、袋装和圆柱形LiFePO4电池的故障行为，并实现早期预警

《eTransportation》：How mechanical constraint alters failure behavior and enables early warning for prismatic, pouch, and cylindrical LiFePO 4 batteries

锂电池不同包装形式在机械约束下的失效模式及应变/膨胀力信号预警特性研究，系统揭示约束对包型失效行为的影响规律，发现约束使包型失效时间延长，并显著改变包型机械信号响应特性，确定最佳应变传感器布置位置，为电池安全设计提供理论支撑。

　　

陈龙|李魁杰|张晓强|李嘉兴|尚云龙|吴伟雄

中国广东省珠海市济南大学能源与电力研究中心，519070

摘要

由于外壳材料和结构设计的不同，不同封装形式的锂离子电池表现出不同的失效行为。然而，机械约束对棱柱形、袋式和圆柱形电池的失效行为和机械信号响应的影响尚未得到充分研究。为了填补这一空白，本研究系统地探讨了这些封装效应，并进一步评估了应变和膨胀力信号在早期预警中的适用性。研究结果表明，机械约束显著改变了袋式电池的失效模式，从喷射火焰型转变为烟雾排放型。更重要的是，约束普遍延长了所有电池形式的失效时间。此外，在机械约束下，棱柱形和袋式电池的应变幅度和变化率发生了显著变化，而圆柱形电池受到的影响较小。随后，确定了最佳的应变片安装位置：棱柱形电池位于端子面，袋式电池位于对角线垂直的角部，圆柱形电池位于标签区域，这些位置具有强烈的信号响应和早期异常检测能力。因此，应变信号可以为袋式和圆柱形电池分别提供3112.5秒和367秒的预警时间，比膨胀力信号更早。然而，棱柱形电池更适合基于膨胀力的预警，其预警时间比应变信号提前331.5秒，总预警时间为1031秒。这些发现为封装形式选择、模块集成中的机械结构设计以及传感器类型和位置的优化提供了宝贵的指导，从而显著提高了电池的安全性和主动预警能力。

引言

随着风能、太阳能和水能等可再生能源技术的快速发展，作为世界上最大的电力生产国，中国正在加速建设以可再生能源为主的新电力系统[1]。近年来，中国可再生能源的装机容量占全球总量的35%以上[2]。然而，间歇性和波动性可再生能源的大规模集成对电网的稳定性和安全性带来了重大挑战[3]。由于锂离子电池（LIBs）成本较低、可回收性强、循环寿命长且调节灵活性高，它们已被广泛应用于可再生能源储能系统[4]、[5]、[6]。到2030年，中国车载LIBs的装机容量预计将超过50亿千瓦时，而固定式储能的装机容量将超过9亿千瓦时[7]。然而，在极端条件下（如电气、热或机械滥用），LIBs极易发生热失控（TR），过充引起的故障尤其危险[8]、[9]、[10]、[11]。因此，阐明过充故障过程中的早期信号响应特性对于实现高效可靠的安全预警至关重要。

棱柱形、袋式和圆柱形电池是LIBs的三种主要封装形式[12]、[13]，每种形式都表现出不同的失效行为。黄等人[14]根据电压和温度曲线将过充过程分为五个阶段，发现袋式电池在早期阶段具有更好的热行为和过充耐受性。然而，由于存在安全阀和刚性外壳，棱柱形电池在抵抗TR方面表现更好，变形较小，早期预警时间更长。此外，棱柱形电池的最大电压和峰值温度也低于袋式电池，表明其TR风险较低。其他研究还表明，带有安全阀结构的电池可以显著延迟TR并减轻相关危害[15]、[16]。温度被广泛用作评估LIB状态的关键参数[17]、[18]。徐等人[19]发现，在TR发生之前，袋式、棱柱形和圆柱形电池的表面和内部温度相似，因此表面温度是内部副反应的可靠指标。为了解决TR发生后内外温度差异较大的问题，研究人员提出监测相邻电池之间的温度作为内部温度的替代指标。然而，上述研究主要集中在不同封装形式的失效时间、电气和热特性上，而忽视了外壳材料和封装技术对机械信号响应的影响。

近年来，为了实现更准确和及时的故障检测，电池状态监测已从传统的电气和热信号发展为多维信号[20]、[21]。同时，多物理场耦合建模的发展显著加深了对TR机制的理解，特别是在复杂的多相排气过程方面[22]、[23]。这些理论见解为电池安全设计和早期预警策略提供了宝贵的指导。在实验监测方面，电化学阻抗谱被用于跟踪TR过程中的内部阻抗变化，气体传感用于识别故障过程中产生的特征气体[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。除了这些方法外，机械信号在早期预警中也显示出巨大的潜力[29]、[30]、[31]。通常研究的两种机械信号是膨胀力和应变[32]、[33]。膨胀力是通过配备集成力传感器的装置测量的，该装置可以捕捉电池整体向外膨胀产生的力。其变化受充电速率、环境温度、正极材料和电池容量等因素的影响。较高的充电速率和较高的环境温度会导致更早的气体生成和异常膨胀力行为[34]、[35]。不同的正极材料也会影响过充和过热过程中异常力信号的出现时间。磷酸铁锂（LFP）电池在过热时的异常膨胀力出现时间晚于所有LiNi_xCo_yMn_(1-x-y)O₂（NCM）电池。然而，在过充条件下，LFP电池的异常膨胀力出现时间仅晚于NCM 811电池，但早于NCM 523和NCM 622电池[36]。高容量电池基于膨胀力信号的预警时间通常更长。此外，还提出了一种策略，利用放大的膨胀力在模块中引起结构损伤，从而减少电池间的接触并抑制TR的传播[37]。然而，这些研究都依赖于膨胀力及其变化率阈值进行主动预警。还提出了一种新的被动预警策略，通过分析不同过充程度后膨胀力的松弛行为来实现更早的故障检测[38]。应变信号作为另一种机械信号，提供了一种更简单的测量方法，只需将应变片贴在电池表面，无需外部装置。在过热实验中，基于应变的预警也对高容量电池显示出优势，预警时间超过500秒[39]。李等人[40]使用片段注意力感知网络预测高充电率下电池的应变信号，并根据外推的应变序列发出TR预警，有效预警概率超过95%。此外，在电池内部嵌入应变片可以检测和定位电池内部的机械故障[41]。然而，现有研究主要集中在单一封装形式或单一类型的机械信号上，缺乏对不同封装形式之间对各种机械信号响应差异的全面调查。此外，机械预加载力也被证明会影响电池性能、失效行为和膨胀力信号的响应[42]、[43]、[44]。然而，上述研究要么不对电池施加约束，要么使用刚性钢板进行约束，没有比较这两种情况下失效行为和信号响应的差异，特别是对于具有不同壳体硬度的电池。

尽管电池安全研究取得了显著进展，但仍存在几个关键空白。目前关于电池封装形式的研究主要集中在失效行为、电气信号和热信号的差异上，而故障过程中机械信号响应的差异尚未得到充分探索。此外，机械约束的存在与否对失效行为和信号响应的影响也被忽视了。现有研究往往忽略了实验约束条件与电池模块实际机械环境之间的差异，导致实验室结果与实际应用之间的不匹配。这一差距限制了现有早期预警策略在实际电池系统中的适用性和可靠性。此外，尽管应变和膨胀力信号在早期TR预警中显示出巨大潜力，但它们在不同封装形式之间的相对有效性尚未得到全面评估。为了填补这些空白，本研究提出了以下贡献：

1.

系统评估了机械约束对不同封装形式LFP电池过充诱导失效行为的影响。

2.

定性和定量分析了机械约束对应变和膨胀力信号响应特性的影响。

3.

全面比较了应变信号与膨胀力信号在早期TR预警中的适用性，为不同封装形式下的最佳传感器选择和布局提供了可行的工程指导。

实验设计

鉴于LFP电池的过充耐受性相对于NCM电池较差[36]，TR通常在较低的充电状态下发生[45]。因此，本研究选择了三种封装形式的LFP电池——棱柱形、袋式和圆柱形，每种形式的标称容量均为20 Ah。具体来说，圆柱形电池被归类为能量型电池，而棱柱形和袋式电池被归类为功率型电池。

多维信号演变特性分析

在不同运行条件下，LIBs表现出电压、温度和机械信号的变化。了解正常和故障条件下的信号演变特性对于实现可靠的安全预警至关重要。

结论

为了解决关于机械约束对LIBs失效行为和机械信号响应影响的关键知识空白，本研究系统评估了在受限和不受限条件下棱柱形、袋式和圆柱形电池的失效特性及应变/膨胀力信号响应。此外，还开发了针对不同封装形式的基于机械信号的TR早期预警策略。研究结果表明

作者贡献声明

吴伟雄：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、调查、概念构思。尚云龙：撰写 – 审稿与编辑、监督。李魁杰：撰写 – 审稿与编辑、验证。陈龙：撰写 – 初稿撰写、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念构思。李嘉兴：撰写 – 审稿与编辑、验证、调查。张晓强：验证、正式分析

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52476200、524B2108、62173211、U24A20159）、广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515030124）、具有可再生能源的替代电力系统国家重点实验室（LAPS25003）以及中国南方电网的科技项目（GDKJXM20230246，030100KC23020017）的支持。