循环跳水，是颗粒力学性能失效引起的吗？

元能科技 2026-04-21 | 阅读：173

前言

随着锂离子电池在新能源汽车领域的应用越来越广泛，其能量密度、循环寿命、安全性和成本等备受关注。在循环过程中，锂离子电池正极活性材料，以高镍三元正极材料为例，在反复发生 Li⁺的嵌入与脱嵌过程中，伴随各向异性的体积变化、微裂纹扩展和相转变。颗粒力学性能失效是引发电芯容量加速衰减的关键诱因之一，如Parkb1等人的研究表明，Mg掺杂可提高NCM622单颗粒的硬度，改善NCM622正极的循环性能，因此，颗粒硬度是影响NCM622正极长期循环稳定性的关键因素；电池正负极材料的机械强度（抗压性）影响正负极材料的电化学性能，这种关联为正负极材料的研究提供了新的思路。

图1.Mg的掺杂提高单颗粒硬度，改善循环性能¹

1、实验设备与测试方法

1.1 实验设备：单颗粒力学性能测试系统，型号SPFT2000（IEST元能科技），如图2(a)。

图2.(a)SPFT2000外观图；(b)测试模式；(c)光学系统底视图

1.2 测试方法：

1）取同批次正极材料、每100圈正极片和循环跳水电芯正极片刮粉，分别记作0 cycle（全新颗粒）、100 cycles（100圈）、200 cycles（200圈）、400 cycles(failure)（循环失效电芯颗粒）；

2）取同批次负极材料和循环跳水电芯负极片刮粉，分别记作A-0 cycle（全新颗粒）和A-400 cycles(failure)（循环失效电芯颗粒）；

3）取分散均匀的6种样品溶液，分别滴在载玻片上，逐个放在显微镜视野中心依次观察，采用控制位移测试应力的模式，即压头以恒定位移速率对颗粒下压，测试颗粒被压缩过程中应力的变化，寻找颗粒被压溃（失效）的力，对应的粉末抗压强度与压溃力的计算公式如图3所示。

图3. 粉末抗压强度（国标GB/T 43091-2023）²

2、数据分析

对比正极活性材料实验结果，如图4和5所示，100 cycles（循环100圈正极活性颗粒）和200 cycles（循环200圈正极活性颗粒）压溃强度均低于0 cycle（全新颗粒），400 cycles(failure)（循环失效电芯正极颗粒）压溃强度比0 cycle低90%以上。研究表明，镍含量高于80%的容量衰减，主要是由于充放电过程中活性材料发生H2-H3相变导致各向异性收缩(或膨胀)，相变引起的应力，使材料内部出现微裂纹，引起界面副反应³。同时微裂纹的扩展，使材料更多表面暴露在电解液中，加速结构退化过程，导致活性材料力学性能失效，从而引起循环容量断崖式衰减。

图4. 某高镍三元材料单颗粒压缩曲线

图5. (a)某高镍三元材料单颗粒压溃力；

(b)某高镍三元材料单颗粒压溃强度

对比负极活性材料实验结果，如图6所示，A-400 cycles(failure)（循环失效电芯颗粒）压溃强度比A-0 cycle（全新颗粒）低80%以上，这是由于在嵌锂/脱锂时石墨体积反复变化产生的机械应力，引发微裂纹萌生、扩展、贯通，导致材料内部缺陷增多，层间有序结构被破坏⁴，单颗粒抗压强度降低，同时裂纹处SEI 膜反复破裂、重生， Li⁺损耗加剧，内阻飙升，循环容量断崖式衰减。

图6.(a)石墨负极材料单颗粒压缩曲线；(b)负极单颗粒压溃力；

(c)负极单颗粒压溃强度

3、总结

本文采用元能科技单颗粒力学性能测试系统SPFT2000，系统阐明了正负极颗粒力学性能失效与电芯循环容量跳水的内在关联，为锂离子电池失效机理研究、故障排查与性能优化提供了重要的实验依据与理论支撑。在锂离子电池长寿命、高安全需求日益迫切的背景下，单颗粒力学性能测试将成为材料研发、电芯工艺优化、电池失效分析的核心技术手段。

4、参考文献

[1] Janghyuk Moona, Jae Yup Jungb, Trung Dinh Hoanga, et al. The correlation between particle hardness and cycle performance of layered cathode materials for lithium-ion batteries，Journal of Power Sources 486(2021)229359.

[2] GB/T 43091-2023，粉末抗压强度测试方法[s].

[3] Yingshuang Sun, Congcong Li, Jun Chen, et al.In-situ Crystal Structure Growth and Control for Enhancing Comprehensive Performance in Ultra-High Nickel Layered Lithium Cathodes.Angew. Chem. Int. Ed.2025，e13466.

[4] Liu, Y., Li, D., et al. Understanding the crack formation of graphite particles in cycled commercial lithium-ion batteries by focused ion beam - scanning electron microscopy[J]. Journal of Power Sources, 2017, 360: 321-329.