許多熟悉方形鋰離??子電池構造的人都會說它會呼吸。充電和放電會引起溫度變化，電化學和內部組件的機械結構，進而改變內部壓力。當制造商試圖創(chuàng)建一種高效，輕便和安全的產(chǎn)品時，設計師必須密切了解這些特性，這一點至關重要。

不管是哪個行業(yè)，消費電子產(chǎn)品或儲能系統(tǒng)，用戶都在要求更輕，更緊湊，具有更高能量密度和更快充電的電池。在發(fā)生災難性事件時，它們也必須是安全的。這些功能通常會發(fā)生沖突，要找到一個平衡點并保持成本競爭力可能是一個挑戰(zhàn)。

在考慮材料和電池構造時，評估壓力動態(tài)對于維持材料間距，控制放氣并防止過度溶脹至關重要。

什么是壓力映射？

即使在相對平坦的表面之間，您可能也會發(fā)現(xiàn)界面壓力分布在峰值壓力的局部區(qū)域內通常也不均勻。壓力映射技術可幫助設計工程師深入了解可能影響設計和質量的領域。

如圖1所示，壓力映射系統(tǒng)由三部分組成-傳感器，掃描電子設備和軟件-以其他方法無法提供的方式提供實時，可操作的數(shù)據(jù)。

圖1：設計人員和工程師使用壓力映射系統(tǒng)（例如上圖所示）來測量兩個配合表面之間的界面壓力。

傳感器是壓阻式感應點的陣列，可測量感應區(qū)域上的壓力分布。傳感器將壓縮壓力負載轉換為電阻變化。

• 傳感器通常具有大約2,000個感測點，但是某些傳感器可以設計為具有超過16,000個感測點。
• 傳感元件間距（間距）可窄至0.64毫米（0.025英寸）。
• 傳感器可以測量高達25,000 PSI（172 MPa）的壓力范圍
• 高溫傳感器選項最高可達200??°C（400°F）

掃描電子設備從傳感器收集模擬數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)轉換為數(shù)字信號。

• 掃描速度高達20,000 Hz
• 該軟件顯示傳感器區(qū)域的實時活動，使用戶可以查看力，壓力，接觸區(qū)域和計時數(shù)據(jù)。

研究支持的測量疊層壓縮應力的方法

盡管許多制造商在制造過程中付出了巨大的努力來維持恒定的煙囪構造，但許多制造商并未將煙囪壓力作為其質量程序的一部分進行驗證。此外，隨著電池的充電和放電，許多電池無法對電池組的內部應力進行量化。

在2013年普林斯頓大學的一項研究1中，研究人員發(fā)現(xiàn)，高電池堆壓力“對長期電池性能產(chǎn)生了強烈影響，壓力水平越高，容量衰減率越高。”當陽極和陰極分離時，顯著的內部壓力會導致塑性變形，分層和內部阻抗增加。盡管較低的煙囪壓力可提供更好的長期性能，但當壓力太低時仍可能發(fā)生分層。

尋找住房壓力的“最佳地方”成為一項挑戰(zhàn)。稱重傳感器固定裝置可以表征電池組件上的平均壓力。盡管這項研究成功地測量了循環(huán)測試中的平均壓力，但壓力映射技術為工程師提供了一個機會，使他們可以深入了解此應用并確定特定的壓力區(qū)域。

測量電池堆應力的新模型

傳感元件的薄而靈活的陣列提供了幾乎任意兩個表面之間不同壓力的全面數(shù)據(jù)。如圖2所示，在進行電池充電/放電循環(huán)測試時，可以將0.01mm厚的傳感器包裹在電池周圍，以提供360o的視野。

圖2：該模型演示了電池設計人員如何使用壓力映射技術來測量在對鋰離子電池充電和放電時出現(xiàn)的壓力。輕巧而靈活的傳感器可緊密貼合在幾乎任何固定裝置或電池類型之間。

通過壓力映射，為研究人員和電池設計人員提供了豐富的評估工具，并了解了不同使用參數(shù)對其設計的影響。這些研究幫助設計師找到了適合自己需求的正確材料和最佳結構，從而帶來了更好的設計和可重復的結果。

壓力映射已用于數(shù)月的研究中，以評估數(shù)千個充電和放電循環(huán)中的壓力曲線，該原理可用于評估電池外殼材料。

圖3顯示了長期電池充電/放電周期測試的五個小時部分的數(shù)據(jù)。基于這些短期結果，在充電和放電時會發(fā)生清晰的界面壓力動態(tài)變化，包括電池上在充電過程中顯示出過大壓力的特定區(qū)域。

圖3：五個小時的充電/放電循環(huán)測試示例。前兩個圖像顯示了放置在固定裝置中的電池，而屏幕截圖顯示了壓力輸出。

該技術也已用于評估外殼設計或在沖擊測試中識別電池上的易損位置。

在嘗試優(yōu)化本文所述的特性時，設計人員切勿損害其產(chǎn)品的安全性。充電過程中溫度升高會導致鋰化，從而導致放氣。電池中其他氣體的內部壓力會導致外殼或隔板故障，從而導致熱失控反應。

壓力映射技術已成為一種重要的方法，可以幫助工程師識別棱柱形電池單元幾乎任何位置的局部壓力區(qū)域，從而帶來更好的設計決策和更持久的技術。

編輯：hfy