ROCKET蓄电池电动汽车退役方形锂离子电池结构形变与电化学性能退化的无损表征

发布者：火箭蓄电池发布时间：2026-05-19 22:55:15 阅读：次

全面理解电动汽车退役电池的衰减机理是其梯次利用的先决条件。然而，现有老化研究主要集中于软包和圆柱电池，由于结构差异显著，这些发现无法直接适用于大容量方形电池。为此，本研究通过采用多模态无损检测技术来桥接机械变形与电化学老化特征，对真实退役电动汽车大尺寸电池展开系统性研究。具体而言，采用X射线计算机断层扫描技术量化电池外壳、卷芯和内部分层的体积演变，同时运用超声波技术测绘内部气体分布。通过将这些结构参数与电化学阻抗谱和增量容量分析相关联，本研究深入探究了机械变形与电化学性能衰退之间的耦合机制。该研究为方形电池中机械老化与电化学老化之间的相互作用机制提供了新见解。研究结果不仅为退役电池的健康状态评估提供了有益参考，还可能对未来电池设计的结构优化具有重要启示意义。

引言

电动汽车(EV)因其高能效和低环境影响的优势已在全球范围内获得广泛应用[1]。作为电动汽车的核心储能单元，锂离子电池凭借其高能量密度、长循环寿命和稳定性能已成为不可或缺的组成部分[2]。在电动汽车长期运行过程中，动力电池容量会逐渐衰减，内阻则持续增大。当电池容量降至初始容量的约80%时，其将无法满足车辆的续航里程与动力需求[3]。然而这些退役电池仍具有较高的剩余容量与稳定的性能表现[4]，适用于可再生能源存储、分布式电力系统及电网调节等场景，从而实现二次寿命利用[5][6][7]。深入研究退役电池的老化特性与机理，对其安全再利用与寿命延长具有重要意义。
电池的主要老化机制通常包括锂存量损失（LLI）和活性材料损失（LAM）；此外，欧姆电阻与界面电阻的增加会显著影响电池性能。为评估这些退化模式，电化学表征技术被广泛采用。具体而言，增量容量分析（IC）[8][9]、差分电压[8][10]以及伪开路电压（pOCV）[11][12]可作为诊断潜在机制的有效工具。这些基于直流电（DC）电化学特性的技术，能够有效揭示活性物质损耗、电极相变以及极化加剧等现象。然而，这些电化学响应在直接表征关键机械结构演变方面存在局限，例如卷芯变形、内部层离以及气体生成。为弥补这一不足，无损检测（NDT）技术[13][14]正日益被视为不可或缺的补充手段。常用的无损检测方法包括超声波检测[15][16]、X射线计算机断层扫描(XCT)[17][18][19]以及电化学阻抗谱(EIS)[20][21]等频域诊断工具。其中，XCT可呈现微观结构形貌特征，超声波检测则对气体聚集状态和层间接触状态具有高度敏感性。作为关键跨链桥，EIS能够将上述结构退化现象与界面反应动力学相关联，从而对这些成像方法形成重要补充。
随着循环次数的增加，电池的机械结构会发生显著变化，主要表现为电池外壳的宏观膨胀和内部卷芯的形变。壳体鼓胀主要由老化过程中副反应气体积累和电极呼吸效应驱动，这种内部压力积累必然导致宏观体积膨胀。前期研究表明，电极厚度变化或膨胀压力与电池健康状态(SOH)存在显著相关性，尤其在缺乏刚性外壳约束的软包电池中[22][23][24]。另一方面，卷芯形变反映了电化学过程与机械应力之间更为复杂的耦合效应[25]，包括气体膨胀[18][19]、外部压力与内应力[25][26]以及锂离子脱嵌引发的电极形变[27][28]。这些结构变化可能导致卷芯分层、电极裂纹和涂层剥离，从而增加内阻并加速容量衰减[29][30]。因此，将电化学表征与机械结构分析相结合，对退役电池开展综合老化研究，不仅有助于揭示老化机制的多维特征，更能为电池健康状态评估与安全设计提供更可靠的依据。
目前，电动汽车动力电池主要采用三种结构形式：软包电池、圆柱电池和方形电池[31]。其中，大容量方形电池因其高能量密度和良好的模块化特性，已在纯电动汽车和储能系统中得到广泛应用[32][33]。然而现有关于结构变形与内部劣化的研究仍主要集中在软包电池和圆柱电池上。近期多模态无损检测研究为软包电池中机械变形、燃料费析出与电化学劣化之间的耦合关系提供了重要见解。例如Fordham等学者通过互补表征技术，系统揭示了电池方位与放置方式如何影响软包锂离子电池的结构变形与性能衰退[34]。由于缺乏刚性外壳，软包电池往往表现出明显的外部膨胀，因此相关研究主要集中在壳体鼓胀和压力演变方面[22][23]。与此同时，研究者通常采用圆柱电池、软包电池或小型方形电池对卷芯内部的局部形变和应力分布进行研究[18][19][29]。相比之下，专门针对大容量方形电池的研究仍相对有限[31][35]。值得注意的是，大容量方形电池具有独特的结构复杂性。与软包电池的柔性边界或圆柱电池的对称径向约束不同，其刚性矩形金属外壳导致高度各向异性的应力分布，并极大限制了电池内部结构劣化在外部形貌上的表现。此外，这些高容量电池通常包含更多卷芯结构，导致显著复杂的机械相互作用和明显的内部非均匀性。在这种刚性约束条件下，从软包或圆柱电池获得的劣化行为和机理认识无法直接外推或适用于大容量方形电池。因此，针对大容量方形电池特有结构演变的专项研究极具必要性，对于全面理解其劣化机制和保障运行安全具有重要意义。
因此，本研究采用多种非侵入性诊断技术，包括XCT、超声和EIS，系统地探究实际应用场景中大容量退役方形电池的结构形变与电化学退化。首先，通过XCT技术重建三维形貌，并从外壳到内部卷芯定量表征多尺度结构退化，重点关注壳体膨胀、卷芯形变以及内部分层现象。同时，超声成像技术用于可视化内部气体的空间分布与积聚特征。通过将膨胀幅度、气体体积等结构参数与从IC分析和EIS获取的电化学特征相关联，阐明了机械形变与性能退化之间的耦合机制。最后开展破坏性拆解实验，以验证非侵入性诊断结果的可靠性。本研究建立了一个将宏观结构演变与电化学行为耦合的综合老化分析框架，为退役方形电池的老化机制提供了全新视角。该框架有助于从结构和机理角度更深入地理解退役电池的健康状态及潜在安全隐患，为健康评估和二次寿命筛选提供机理层面的见解，同时辅助识别由结构退化引发的安全风险。此外，本文阐明的老化特征与机制为新一代高能量/高功率密度锂离子电池的结构设计与寿命优化提供了重要参考。综上所述，本文的主要贡献如下：

(1)
本研究建立了一个综合性的非侵入式诊断框架，用于探究实际使用中退役大容量方形电动汽车电池的结构形变与电化学性能退化之间的耦合关系。该框架深化了对退化机制的理解，并为退役电池的健康状态评估及二次利用筛选提供了技术支持。

(2)
该研究定量表征了从电池外壳、卷芯到内部层间剥离的多尺度结构退化特征。研究表明，在电池外壳机械约束与内部燃料费迁移的耦合作用下，内部结构形变呈现出显著的空间异质性。

(3)
本研究证实锂离子背包损耗为关键老化机制。进一步发现电芯卷绕分层体积与EIS欧姆电阻异常偏移间存在显著关联性。这表明结构分层可能是驱动电阻异常演变的潜在因素，为电池老化机制研究提供了新视角。

产品分类

产品推荐

火箭蓄电池UXL(LH)系列2V

火箭蓄电池GB系列

联系我们

ROCKET蓄电池电动汽车退役方形锂离子电池结构形变与电化学性能退化的无损表征

引言

热点文章