电芯在手机壳内膨胀过程模拟预测分析：恒间隙、恒压力与恒空间模式下的深入探究（一）-川源科技（苏州）有限公司

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HiCY单颗粒力学测试仪，是一款基于纳米移动平台及新型多探针测量原理、采用一站式单颗粒力学及电阻分析系统，实现单颗粒力学特性及单颗粒电阻特性一站式分析检测的仪器。

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HiCY粉末电阻&压实密度测试仪，是一款基于新型多探针测量原理、采用一站式粉末成型装置并配以全闭环智能伺服控制系统，实现粉末电阻率&压实密度一站式检测的仪器。

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HiCY固态电解质性能评价系统,基于新型多探针测量原理、采用一站式电解质成型装置并配以全闭环智能伺服控制系统,实现固态电解质电子电阻、离子电阻及电性能等特性检测的仪器。

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HiCY固含量/NMP含量检测仪，是一款基于干燥减量法、采用高效卤素管加热与高精度质量传感器，并配以全自动温控与数据管理系统的仪器，实现浆料固含量快速精准检测。

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HiCY极片电阻测试仪是一款基于新型多探针测量原理、采用新型探头设计并配以全闭环智能伺服控制统,实现极片整体电阻、电阻贡献分解及两面电阻一致性等特性检测的仪器。

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HiCY极片binder上浮测试仪是一款前卫的检测设备，其核心技术结合了高精密伺服全自动采样和热失重检测仪。该系统专门设计用于精确分析Binder在极片中的分布情况，从而帮助用户深入了解电池材料的性能。

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HiCY极片柔韧性测试仪，是一款基于折弯法原理、采用高精度力值传感器与伺服电机控制，并配以全自动温湿度模拟系统的仪器，实现极片柔韧度及抗弯曲变形能力一站式检测。

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HiCY复合集流体电阻测试仪，是一款基于新型多探针测量原理、采用新型探头设计并配以全闭环智能伺服控制系统，实现复合极片整体电阻及其双面电阻一致性等特性检测的仪器。

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HiCY极片浸润性测试仪,是基于浸润电阻法测试原理,采用高精度阻抗检测模块,并配以全闭环智能控制系统,实现隔膜、极片等浸润速率检测的仪器设备。

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HiCY极片粘结力测试系统，是一款基于高精度传感器与智能软件系统、采用多重安全防护及自动化功能设计，实现锂电池材料抗拉强度、焊接点剥离强度等力学性能一站式检测的仪器。

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HiCY隔膜&Binder离子电导率仪，是一款基于交流阻抗法，采用高精度平行保证结构设计，并配以全闭环智能伺服控制系统、阻抗分析系统、温湿度传感器，实现隔膜离子电导特性的检测设备。其能一站式快速完成隔膜及binder等胶膜的离子电导率检测。

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HiCY隔离膜热钉刺是一款基于高精度伺服控制系统，集成高精度温度控制模块，对隔离膜进行不同距离的热辐射影响区域进行视觉尺寸评估，以评价隔离膜的热稳定特性。

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HiCY隔膜热闭孔破膜测试仪是一款基于高精度伺服控制系统，集成高精度温度控制模块，对隔离膜进行不同距离的热辐射影响区域进行视觉尺寸评估，并同步测量隔离膜阻抗值来评价隔离膜热稳定性。

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HiCY扣电原位膨胀测试系统，基于创造性零摩擦原位膨胀治具或单层叠片电池，集成高精度位移、电压、电流、温湿度等核心传感器，实现极片级别原位膨胀厚度快速检测的系统。

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HiCY电芯原位膨胀测试系统基于创造性同步多通道机构及全新全闭环智能伺服控制系统，集成高精度位移、电压、电流、压力、温湿度等核心传感器，实现模拟恒间隙、恒压力、混合模式及电池真实工况下的膨胀力与厚度变化检测。

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HiCY电池原位膨胀力分布测试系统基于压阻、压电或离电等原理的薄膜柔性传感器阵列进行检测，实现非破坏性实时监测电池内部应力分布，为安全性与寿命评估提供精准数据支撑。

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HiCY原位膨胀力夹具，是一款基于恒间距设计、采用一体化传感器与高精度位移模块，并配以多通道数据采集系统的仪器，实现电芯及模组膨胀力与厚度实时监测。

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HiCY夹具预紧力机，是一款基于高精度传感器与全闭环伺服控制系统、采用智能化数据分析软件，实现电池上夹具压力与扭力精准控制，确保螺丝预紧参数一致性的自动化设备。

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HiCY电芯及系统阻抗测试仪，是一款基于多通道动态阻抗测试技术、采用抗干扰设计与智能算法集成的仪器，实现锂电池电芯高速无损分选、内短路检测及一致性评估的一体化解决方案。

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HiCY电芯厚度测试仪是一款基于加压式接触厚度测量原理、采用高强度精密模架、位移传感器等并配以全闭环智能伺服控制系统，实现电池产品一站式厚度、电压内阻及压缩模量等检测的仪器。

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HiCY电芯原位产气体积测试系统，基于阿基米德与理想气体状态方程理论原理，测量样品在一定温度下浮力的变化，实现电芯原位体积及产气速率检测的系统。

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HiCY电芯原位产气压强测试系统，是一款基于高精度气压传感器、转接铠甲与测试软件而成，用于测量和监测电芯气体产生过程中的压力变化，并将其数据采集和记录的系统，实现一站式电芯产气压强检测的检测系统。

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HiCY扣电自动组装平台，是一款基于XYZ三维导轨与分区布局设计、集成全自动高精度操作与电解液快速浸润工艺的仪器，实现扣式电池高通量、标准化组装与测试。

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HiCY粉料湿法筛分设备，是一款基于自动化搅拌与环喷水流技术、采用多轴搅拌浆及可调筛盘转速设计，实现正极前驱体粉末中非磁性异物高效分离与精准筛分的一体化设备。

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HiCY磁性异物漂洗装置，是一款基于高磁性物质吸附技术、采用双轴磁钢旋转及定量注水系统，并配以全自动漂洗流程的仪器，实现正负极粉末材料中磁性异物高效分离与精准回收的一体化设备。

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HiCY在线极片电阻测试系统，是一款基于多辊探针测量原理、采用创造性结构设计并配以全闭环智能伺服控制系统的仪器，实现极片电阻在线无损检测与缺陷实时识别的测试系统。

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HiCY搅拌刮壁监控系统，是一款基于三轴MEMS传感器与多维度同步测量技术、采用全密封防尘防水结构及智能化数据分析软件，实现浆料罐体异常振动实时监测与刮缸预警的仪器。

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HiCY电解液离心机,是一款通过夹具固定裸电芯进行离心操作、精准收集甩出电解液,并集成全自动参数控制与温湿度监测功能,实现电池电解液消耗量化分析的标准化前处理设备。
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随着智能手机对续航需求的攀升，高能量密度电芯成为行业发展的关键。然而，电芯在充放电循环中的膨胀问题，严重威胁手机的性能与使用寿命。本文运用单通道原位膨胀测试系统，对市售软包手机电芯在恒间隙、恒压力和恒空间模式下开展原位膨胀测试分析，旨在为手机壳内电芯膨胀空间预留提供精准预测依据，提升手机整体安全性与可靠性，对锂电池研发及手机设计具有重要的参考价值。

关键词

电芯膨胀；原位膨胀测试；恒间隙模式；恒压力模式；恒空间模式

1.引言

智能手机性能的持续进阶，促使内部电芯能量密度不断提升，以满足用户对长时间续航的严苛要求。在高能量密度电芯充放电循环历程中，膨胀现象不可避免。从微观角度剖析，锂离子在电极材料中的嵌入与脱嵌，会引发电极材料晶格结构的改变，进而致使其体积产生变化；与此同时，电池内部复杂的化学反应所产生的热效应，也会推动电芯尺寸发生改变。若手机壳内部未合理预留电芯膨胀所需的厚度空间，膨胀后的电芯极易挤压手机内部的电路板、显示屏等关键组件，引发短路、屏幕显示异常等故障，大幅降低手机的使用寿命与性能稳定性。因此，深入研究电芯在手机壳内的膨胀过程，并实现精准模拟预测分析，成为当下锂电池研发与手机设计领域亟待攻克的关键课题。

当前，针对电芯膨胀的分析，主要依托于电池原位膨胀测试系统。该系统能够高度模拟电池在实际使用场景中的充放电循环过程，同时同步监测电芯的各类电性能参数与膨胀性能参数，包括但不限于膨胀厚度、膨胀力、膨胀压力分布、可逆膨胀及不可逆膨胀等关键指标，为研究电芯膨胀行为提供了有力的技术支撑。

本文通过对市售软包手机电芯在恒间隙、恒压力和恒空间三种模式下分别进行原位膨胀测试分析，深度挖掘电芯膨胀规律，力求为手机壳内电芯膨胀空间的预留提供科学、精准的预测分析方案，助力提升手机整体的使用安全性与可靠性。

2.实验设备与测试方法

2.1 实验设备

实验选用单通道原位膨胀测试系统（型号CSA1150，川源科技HiCY），该设备具备高精度的控制与监测能力，可满足不同测试模式下对电芯各项参数的精确测量需求，设备外观如图1所示。

图1 CSA1150单通道原位膨胀测试系统

2.2 测试信息

2.2.1 电芯信息

实验选取三款市售软包手机电芯，电芯详细参数如表1所示。三款电芯的标称容量均为2710mAh，但标称电压与内阻存在细微差异，厚度也略有不同，这些差异将在后续测试中对电芯的膨胀行为产生影响。

表1 测试电芯信息

2.2.2 电芯测量条件

本次实验设置了恒压模式、恒间隙模式和恒空间模式三种测试模式，具体测量条件如表2所示。在不同模式下，目标压力、循环次数、采点频率、平行样品数、厚度精度、压力精度以及环境温湿度等参数均有明确设定，以确保测试结果的准确性与可比性。

表2. 电芯测量条件

2.2.3 电芯测量流程

电芯测量流程涵盖多个充放电步骤及静置环节，具体流程如表3所示。通过一系列的充放电操作，模拟电芯在实际使用中的不同状态，以获取全面且准确的膨胀数据。

表3. 电芯测量流程

3.原位分析电芯在不同测试模式下的膨胀行为

3.1 恒压力模式下充放电过程电芯膨胀曲线分析

3.1.1 恒压力方法介绍

恒压力测试模式下，测试系统借助先进的自动控制算法，能够精准维持样品在恒定压力环境下进行充放电操作。与此同时，系统利用高精度传感器，持续采集样品的厚度变化数据以及电性能参数，为后续的深入分析提供丰富的数据支持。

3.1.2 膨胀曲线分析

以S1电芯为例，在30N恒定压力条件下进行原位膨胀测试，其膨胀曲线如图2所示。从曲线走势可以清晰看出，电芯在充电过程中，随着锂离子的嵌入，电极材料体积增大，导致电芯厚度增加；而在放电过程中，锂离子脱嵌，电芯厚度减小。随着循环圈数的不断增加，电芯整体厚度呈现出逐渐增大的趋势。

图2 电芯S1原位膨胀厚度随电压变化曲线

进一步对数据进行量化分析，由图3可知，电芯经过20圈循环后，厚度增长最大值达到0.1061mm，恒压力最大厚度膨胀率约为3.42%。其中，不可逆膨胀厚度为0.0188mm，不可逆厚度膨胀率为0.61%（如图4所示）。

图3 电芯S1最大膨胀厚度与最大厚度膨胀率变化曲线

图4 电芯S1不可逆膨胀厚度与不可逆厚度膨胀率变化曲线

通过对25个循环的曲线趋势进行深入研究发现，电芯的膨胀厚度增长趋势较为显著。基于当前的趋势进行合理推测，电芯可能在300圈左右（如图5数据分析），膨胀厚度达到一个较为关键的节点。这一发现对于评估电芯的长期稳定性与可靠性具有重要意义。

图5 电芯S1最大膨胀厚度预测曲线

从微观机制层面分析，在充放电过程中，锂离子在正负极之间的嵌入和脱出是一个复杂的物理化学过程。正负极材料在这一过程中，体积会发生周期性变化，从而导致电芯厚度的膨胀和收缩。然而，由于正负极材料的脱嵌锂过程并非完全可逆，随着循环次数的累积，电芯内部会逐渐积累不可逆的结构变化，如晶格膨胀、机械裂纹等。这些微观结构的改变，进一步促使电芯不可逆厚度不断增加。此外，外部施加的压力在一定程度上会影响电芯内部的应力分布，进而影响锂离子的嵌入和脱出过程，以及电极材料的结构稳定性。在合理的压力范围内，适当的外部压力能够有效抑制电芯的不可逆膨胀，提升电池的循环性能。

基于恒压力测试所获取的丰富数据与结论，锂电池研发人员可以从材料选择和生产工艺优化等多个维度进行深入探索。例如，通过对比不同材料在相同测试条件下的膨胀行为差异，筛选出膨胀程度更低、循环性能更优的材料，应用于电芯的设计与生产；在生产工艺方面，可以通过调整电极材料的制备工艺、优化电芯的组装工艺等手段，降低电芯在充放电过程中的膨胀程度，提高电芯的循环寿命和性能稳定性。

3.2 恒间隙模式下充放电过程电芯膨胀曲线分析

3.2.1 恒间隙方法介绍

恒间隙测试模式下，测试系统通过精准的位移控制技术，确保样品在恒定间隙环境中进行充放电。在此过程中，系统实时监测样品的压力变化以及电性能参数，能够敏锐捕捉到电芯在充放电过程中的细微膨胀变化。

图6 电芯S2原位膨胀力随电压变化曲线

3.2.2 膨胀曲线分析

对S2电芯在5.45N预紧力恒间隙模式下进行原位膨胀测试，膨胀曲线如图6所示。可以观察到，电芯在充电过程中，内部化学反应加剧，材料膨胀导致膨胀力增加；放电时，反应逆向进行，膨胀力减小。随着循环圈数的增多，膨胀力增长幅度愈发明显。值得注意的是，充电和放电过程的膨胀力曲线变化并非完全对称，这一现象表明电芯在充放电过程中存在应力残留，这对于电芯的长期性能和安全性具有潜在影响。

由图7数据所示，S2电芯在20圈循环中的膨胀力增长最大值为292.05N，恒间隙最大膨胀力增长率约为140.79%。这一数据直观反映了电芯在恒间隙条件下的膨胀力增长趋势，为评估电芯在受限空间内的膨胀特性提供了重要依据。

图7 电芯S2最大膨胀力与最大膨胀力增长率变化曲线

通过对前期电芯在恒间隙模式下的膨胀力值趋势分析，可以看出此电芯的膨胀力快速增大。按照此趋势推测，膨胀力可能很快达到市售手机预设的手机后盖防变形阈值（一般为60kg，此场景假设电芯在手机内部无额外预留膨胀空间，数据如图8）。对于此电芯膨胀力的实际变化趋势有待循环进一步进行后更新。

恒间隙测试对于锂电池研发具有多方面的重要意义。一方面，通过实时监测电芯在充放电过程中的膨胀力变化，能够及时发现潜在的膨胀问题，提前预防因电芯膨胀过度而引发的电池短路、漏液等严重安全风险；另一方面，该测试方法能够深入揭示不同材料在电池充放电过程中的膨胀特性差异，为材料研发人员筛选和优化电池材料提供关键的数据支持。此外，通过在不同温度条件下进行恒间隙测试，可以系统研究电芯在特定温度环境下的膨胀行为，准确评估其热失控风险，这对于电池系统的热管理设计和优化至关重要，有助于提升电池在复杂环境下的安全性和稳定性。

图8 电芯S2最大膨胀力值预测曲线

3.3 恒空间模式下电芯原位膨胀分析

3.3.1 恒空间测试方法介绍

在恒空间原位膨胀测试领域，行业内通常存在两种方法。本文采用精度可控可测的机器控制方式进行，CSA1150系统实现此测试的具体操作步骤如下：

1）进行空载清零操作，记录零点位置，确保测试起始数据的准确性；

2）通过程序设定3.39mm行程，并放置3.39mm量块进行测量，当显示厚度为3.39mm且显示力在5N左右时，确认设备状态正常；

3）将电芯放置在测试平台上，施加5N预压，并按照3.39mm行程进行下压测试，以此模拟电芯在恒空间条件下的膨胀过程。

3.3.2 膨胀曲线分析

对S3电芯在3.39mm恒空间模式下进行原位膨胀测试，测试曲线如图9所示。在44圈循环过程中，电芯的膨胀力始终保持为0N，目前测试仍在持续进行中。这一现象表明，在当前设定的恒空间条件下，电芯在前期循环过程中尚未达到足以产生明显膨胀力的程度。后续随着循环次数的进一步增加，有望获取更多关于电芯在恒空间模式下的膨胀特性数据，为深入研究电芯在受限空间内的膨胀行为提供更全面的信息。

图9 恒空间模式下电芯原位膨胀力变化曲线

4.电芯在手机内实际工况变化分析

在手机实际使用场景中，电芯在手机壳内一般会预留一定的空间。在手机使用初期，电芯处于相对自由的膨胀状态，近似于恒空间膨胀模式；而随着使用时间的推移以及电芯膨胀程度的增加，后期电芯可能会顶到手机外壳，此时则转变为近似恒间隙膨胀模式。本次实验的设计思路，正是基于对手机内电芯实际工况的模拟，通过对不同模式下电芯膨胀行为的研究，为手机设计过程中合理预留电芯膨胀空间提供科学依据，从而有效降低因电芯膨胀导致的手机故障风险，提升手机的整体性能和可靠性。

5.总结

电池原位膨胀测试作为锂电池研发和安全性评估的核心技术手段，在电池行业发展中占据着举足轻重的地位。本文借助 CSA1150 单通道原位膨胀测试系统，成功实现了对电芯在恒间隙、恒压力和恒空间模式下充放电过程中膨胀变化情况的实时、精准监控。通过对实验数据的深度挖掘与分析，揭示了不同测试模式下电芯的膨胀规律，为深入理解电芯膨胀行为提供了有力的实验支撑。

下一阶段的应用研究中，我们将进一步拓展实验的广度和深度。例如，联合手机品牌商进行真实手机的原位膨胀研究、增加不同温度环境以及不同充放电倍率等多维度的测试条件，全面研究电芯膨胀行为的影响因素；结合先进的X-CT表征技术，深入探究电芯膨胀过程中内部结构的演变机制，为电池材料的创新和电池性能的提升提供更坚实的理论基础。

参考文献

[1] YongkunLi, Chuang Wei, Yumao Sheng, Feipeng Jiao, and Kai Wu. Swelling Force in Lithium-Ion Power Batteries. Ind. Eng.Chem. Res, 2020, 59(27): 12313–12318.

[2] XimingCheng and Michael Pecht. In Situ Stress Measurement Techniques on Li-ion Battery Electrodes: A Review. Energies, 2017, 10(591).

[3] Chen, G., Wang, X., & Zhang, X. (2022). Influence of Electrode Material Structure on Lithium-Ion Battery Expansion Behavior. Journal of Power Sources, 520, 231567.

[4] Liu, Y., Zhao, X., & Li, Y. (2021). Thermal-Mechanical Coupling Analysis of Lithium-Ion Batteries during Charge-Discharge Cycles. Electrochimica Acta, 387, 138534.

[5] Wang, Z., Sun, J., & Wu, F. (2023). Multiscale Modeling of Lithium-Ion Battery Swelling and Its Impact on Battery Pack Design. Journal of The Electrochemical Society, 170(3), 030523.