动力锂离子电芯膨胀力与应对措施

锂离子电芯在充放电过程中因锂嵌入/脱出、SEI膜增厚、产气等机制发生体积膨胀（NCM电芯膨胀率可达6-8%，LFP电芯为3-5%），产生的膨胀力对模组结构完整性、寿命及安全性构成挑战。本文从电芯膨胀力来源、模组拘束力设计、材料选型等维度，结合实验数据与行业标准，系统性分析应对策略。

• 电化学膨胀：锂枝晶生长导致电极颗粒体积变化（石墨负极膨胀率~10%，硅基负极可达300%）；

• 产气膨胀：电解液分解（如高温下产气速率达0.1 mL/Ah·cycle）；

• 温度效应：热膨胀系数差异（如铝壳膨胀系数为23.1×10⁻⁶/°C，电芯内部材料为1-5×10⁻⁶/°C）。

50Ah NCM 811

8-12

1C充放电，SOC 100%

100Ah LFP

4-6

0.5C循环，25°C

硅碳负极电芯

15-20

快充（2C），SOC 80%

• 预紧力作用：抵消电芯膨胀，避免模组结构变形（典型预紧力为电芯最大膨胀力的70-90%）；

• 来源方式

• 机械结构：端板螺栓（预紧力3-5 kN）、绑带（张力1-2 kN/条）；

• 弹性元件：弹簧垫片（刚度50-100 N/mm）、形状记忆合金。

• 端板刚度要求：模量≥70 GPa（高强钢或碳纤维复合材料）；

• 绑带材料：不锈钢带（抗拉强度≥1000 MPa）或玻纤增强聚合物（抗蠕变性能优）。

• 案例数据：某方形电芯模组采用双侧绑带（预紧力1.5 kN/条），循环500次后膨胀力残留率>85%。

• 

• 分体式框架：允许电芯横向膨胀，纵向刚性固定（膨胀位移容差±0.5 mm）；

• 一体式端板：适用于低膨胀电芯（如LFP），成本降低20%。

• 有限元分析（FEA）：通过Ansys Mechanical模拟电芯膨胀与模组应力分布，优化预紧力施加位置；

• 参数标定：电芯本构模型（超弹性或弹塑性）需基于压缩试验数据（应变率0.01-0.1/s）。

• 功能需求：阻隔热失控传播（导热系数≤0.1 W/m·K），同时承受机械压力；

• 典型方案

• 气凝胶毡（耐温>600°C，压缩强度≥0.5 MPa）；

• 陶瓷纤维板（密度200-300 kg/m³，导热系数0.05 W/m·K）。

• 压缩回弹性：永久变形率<5%（如硅胶泡棉，压缩率30%时应力0.3-0.5 MPa）；

• 耐电解液腐蚀：质量变化率<1%（浸泡电解液30天，如EPDM橡胶）。

• 泄压阀设计：当模组内压>50 kPa时触发泄压（参考GB/T 31485标准）；

• 熔断装置：电流过载时切断膨胀力传递路径。

• 多级拘束系统：主绑带（承载80%负荷） + 辅助限位块（防止单点失效）；

• 膨胀间隙预留：电芯间间距≥1.5 mm（基于膨胀率计算）。

• 隔热层布局：在热失控传播路径上加厚气凝胶层（≥3 mm），延缓温升速率至<1°C/s）；

• 压力释放通道：定向泄压口引导气体和火焰远离乘客舱。

1. 拘束力设计核心：预紧力需动态匹配电芯膨胀力，NCM电芯模组推荐预紧力8-10 kN，LFP电芯4-6 kN

2. 材料选型关键：缓冲材料压缩应力需控制在0.2-0.8 MPa，隔热材料导热系数≤0.1 W/m·K

3. 安全冗余：结构设计中需集成泄压、熔断等多重保护机制，模组膨胀位移容差应≥1 mm

附录

1. 电芯压缩试验曲线（应力-应变关系）；

2. 典型模组拘束结构示意图；

3. 

4. 隔热材料厚度及压缩量

5. 

：文中数据基于行业测试报告（如CATL、BYD公开资料）及SAE J2380标准，实际设计需结合具体电芯参数验证。

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