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锂电循环跳水?别只关注电化学,力学性能才是电池长循环的底层密码

锂电循环跳水?别只关注电化学,力学性能才是电池长循环的底层密码
元能科技  2026-09-28  |  阅读:155 400-810-0069转7657

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1、引言

锂离子电池的循环跳水、失效,通常不只是电化学问题,其伴随的材料颗粒碎裂、极片脱粘、电芯鼓包、循环跳水等与材料及电芯的力学行为密不可分。


随着动力电池、储能电池向着更高能量密度、更长循环寿命方向突破,大家多聚焦于材料比容量、电压平台、离子电导率等电化学指标,却常常忽略力学因素对电池全生命周期的重大影响。活性颗粒破碎、粘结剂失效脱粘、充放电诱发扩散应力、极片界面剥离、电芯膨胀鼓包…… 这些力学层面的破坏,会直接诱发内阻飙升、容量快速衰减,甚至带来安全隐患。


大量顶刊研究统计表明,近年来锂电领域,材料力学、电芯力学方向的科研占比已经接近 50%,力学性能评估正在从辅助测试,走向研发核心环节。


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图1.锂离子电池失效机制分析


当前锂电力学评估主要分为两大层级即粉体材料层级与电芯层级,二者互为印证,从微观颗粒到整只电池完成全链条解析,如表1为不同层级力学分析研究的重点。


表1. 材料 & 电芯力学双维度研究对比表

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2、材料层级:解析颗粒&粉体力学性能,为电芯循环性能奠定基础


粉体活性材料是电池的根基。一颗颗粒被反复挤压、锂脱嵌循环后会不会开裂粉化,直接决定极片与电芯的命运。


单颗粒力学性能测试,就是把微米级的正极、负极颗粒放在探针下完成压溃评估,采集力-位移曲线,获取颗粒压溃力、抗压强度。如图2以 NFMCT 为例,明确独特的形貌和混相的互锁作用赋予了材料多阶段破碎特征,增强了机械结合能,防止了材料在应力下直接发生结构崩溃,最终得到了电性能优异的正极材料。硅碳、高镍三元、硬碳、富锂材料都可以通过这套测试快速评估筛选。


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图3.改性正极材料单颗粒力学性能及电性能评估


单颗粒看的是个体颗粒本征强度,而粉体压实压缩测试,则模拟辊压工艺下大量颗粒堆积行为。在加压-卸压循环中,获取压实密度、压缩回弹、形变特征,对标工厂极片辊压工序。将单颗粒本征力学 与粉体整体压实回弹结合,就能为粉体阶段预判辊压工艺风险提供一种思路,避免材料到极片、电芯阶段才暴露出开裂掉粉问题,极大节约研发时间成本。对于固态电池的发展,硫化物、氧化物固态电解质,也需要在不同受压条件同步采集电导率,建立 “压力 形变 离子导电” 关联,适配固态电池开发需求。如图为单颗粒力学与粉体力学的对比,进一步明确其层级关联性。


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图4.单颗粒力学与粉体力学关联性探究


3、电芯层级:揭秘电芯力学行为规律,保障电池生命周期安全

粉体性能再好,组装成为电芯之后,卷绕、叠片约束、充放电锂嵌入脱出,又会产生全新的力学问题。锂离子电池的实际应用中及研发工作中,电芯膨胀力学研究是关键,夹紧力设计、CTP/CTC 结构适配,都离不开电芯层级力学数据。如果忽视膨胀力,循环中后期极易出现极片析锂、鼓包、掉料、内短路风险。


以石墨负极为例,锂嵌入生成 LiC₆,会带来约10%本征体积膨胀。电芯内部,膨胀不是自由发生,会受到壳体、夹具、卷芯的约束,从而产生巨大的内部膨胀力。膨胀分为可逆膨胀(伴随充放电SOC变化)和不可逆膨胀(随老化SOH累积产生)。如图5为石墨嵌锂模型与膨胀机理示意图。


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图5.石墨嵌锂模型与膨胀机理


当前行业内多通过原位膨胀分析系统模拟不同约束边界条件,同步记录电芯充放电全过程的膨胀厚度、膨胀力、压缩模量。大量实验证实,电芯不可逆膨胀力和电池健康状态SOH存在明确对应关系。老化后的卷芯应力-应变曲线发生偏移,这也为电池寿命预测提供了力学维度的模型支撑。如图6为电芯膨胀测试原理及研究案例。


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图6.电芯膨胀测试原理及研究案例

4、 小结

当下“电化学-力学耦合”已经成为行业共识。从微米单颗粒破碎行为,到粉体受压回弹,再到整只电芯充放电膨胀应力,一套完整的力学性能评估解决方案,帮助研发人员提前识别失效风险,指导材料改性、辊压工艺优化、PACK 夹紧力设计,为高能量密度、长寿命电池落地保驾护航。


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图7.锂电材料与电芯力学行业需求展望


5、 参考文献

[1] Wenhao Qiu, Mingjie Dong, et al. Synergistic inducting P2/O3 mixed phase by thermal diffusion regulation and high-entropy strategy for high performance layered cathode, Chemical Engineering Journal, 2026, 534, 175314.

[2] Niu Z, Sun Z, Zhang S, et al. Model development for predicting irreversible swelling of aged lithium iron phosphate/graphite pouch cells under different pressures and temperatures[J]. Journal of Power Sources, 2025, 641.

[3]Lyder H A, Lisa D, Uttam M, et al.Strategies for the Analysis of Graphite Electrode Function[J]. Advanced Energy Materials,2021,11(48).

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