軟包鋰離子電池真空環(huán)境下循環(huán)性能特性

劉杭鑫，陳現(xiàn)濤，孫 強(qiáng)，趙晨曦

（1中國(guó)民用航空飛行學(xué)院民機(jī)火災(zāi)與安全工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2民航安全工程學(xué)院，四川 廣漢618307）

相較于傳統(tǒng)的鎳鎘、鉛酸等電池來(lái)說(shuō)，鋰離子電池具有能量密度高、工作電壓高、內(nèi)部自放電率低、充放電效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。目前在民航飛機(jī)、太空飛行器等航空航天領(lǐng)域中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，例如，民用飛機(jī)的電源系統(tǒng)主要包括主電源、輔助電源、應(yīng)急電源和二次電源等，都與鋰離子電池密不可分[1-3]，在空間站中軌道實(shí)驗(yàn)室的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、航空器應(yīng)急照明、駕駛艙語(yǔ)音記錄儀、數(shù)據(jù)記錄儀、記錄儀獨(dú)立電源、備用或應(yīng)急電源、主電源和輔助動(dòng)力裝置電源等機(jī)載系統(tǒng)應(yīng)用具有非常廣闊的前景。然而在鋰電池廣泛使用的同時(shí)，其熱失控事件卻頻發(fā)。根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(FAA)統(tǒng)計(jì)[4]，從2006 年5 月15 日至2021年10月27日，全球共發(fā)生約330起涉及鋰電池的航空事故。當(dāng)電池在低氣壓下循環(huán)后性能加速老化，內(nèi)阻急劇升高，產(chǎn)生大量焦耳熱，同時(shí)也會(huì)使負(fù)極活性材料嵌鋰能力降低而產(chǎn)生鋰枝晶造成短路，從而可能引發(fā)熱失控的嚴(yán)重后果。而目前關(guān)于低氣壓下鋰電池的研究多集中于熱失控的火行為、釋放溫度、加熱方式、煙氣熱性和燃爆特性等。研究發(fā)現(xiàn)[5-6]，在低氣壓下，隨著壓力的降低，火行為劇烈程度降低，熱釋放速率峰值、耗氧量與煙氣溫度等均有下降，而燃爆響應(yīng)時(shí)間逐漸增加，同時(shí)CO 和CxHy含量升高，而CO2含量則相反，電池毒危害性更高。根據(jù)Xie 等人[7]研究發(fā)現(xiàn)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加或外壓的降低，電池?zé)崾Э販囟群蜔後尫潘俾式档?，但同時(shí)熱失控起始時(shí)間和溫度均減小。而電極材料的損耗和結(jié)構(gòu)損傷以及副反應(yīng)是降低電池安全性的主要因素?？梢?，低氣壓下，電池循環(huán)老化后更容易觸發(fā)熱失控事故。而目前一些研究人員雖已對(duì)電池進(jìn)行了一系列循環(huán)性能的研究實(shí)驗(yàn)，但仍缺乏在特殊環(huán)境下的電池循環(huán)老化研究。如Su 等人[8-10]總結(jié)了鋰離子電池的衰減老化原因，認(rèn)為電池循環(huán)老化受電流、電壓、溫度等影響，與正極材料包括鋰金屬氧化物的結(jié)構(gòu)變化、負(fù)極材料SEI膜變厚、孔隙變化等有關(guān)系；Ouyang等人[11-12]研究了不同程度的過(guò)充對(duì)鋰離子電池循環(huán)性能和安全的影響。Ouyang 等[13-16]研究了溫度對(duì)電池的影響，發(fā)現(xiàn)鋰離子電池在不同的溫度梯度下，電池循環(huán)老化的形成機(jī)理不同。環(huán)境溫度的降低會(huì)直接影響鋰離子電池的電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，循環(huán)更容易在負(fù)極產(chǎn)生鋰沉積，導(dǎo)致電池性能的下降；但是當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，即在高溫循環(huán)下，電池卻存在一個(gè)最佳循環(huán)速率。因此在特殊環(huán)境下的循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，將環(huán)境壓力因素考慮并引入，特別是低壓環(huán)境(真空環(huán)境)下，模擬鋰離子電池在太空航空運(yùn)輸過(guò)程中的循環(huán)充放電行為顯得尤為必要。廖成龍等[17]進(jìn)行了常壓和60 kPa低壓環(huán)境下的軟包鋰離子電池循環(huán)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電池在常壓下循環(huán)其衰減程度不大，但在60 kPa環(huán)境下循環(huán)后內(nèi)阻和厚度相比于常壓下循環(huán)的電池有明顯的區(qū)別；Mussa等[18-21]研究了外部壓力對(duì)鋰離子電池循環(huán)壽命的影響，發(fā)現(xiàn)壓力對(duì)初始容量基本沒有影響，但對(duì)阻抗和循環(huán)壽命有顯著影響，且對(duì)鋰離子電池施加不同外壓力時(shí)，發(fā)現(xiàn)電池存在最佳外部壓力范圍，能夠使得電池具有更高的容量。

因此，為探究在真空環(huán)境下軟包裝鋰離子電池的循環(huán)安全性能，本文作者利用軟包鋰離子電池在機(jī)載動(dòng)力電池實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開展實(shí)驗(yàn)，基于可變壓密閉球艙，讓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在接近真空的環(huán)境下，對(duì)軟包鋰離子電池進(jìn)行循環(huán)充放電實(shí)驗(yàn)，以期為在太空環(huán)境下航空器中使用軟包鋰離子電池時(shí)的循環(huán)充放電性能和安全應(yīng)用作出參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為FRC350 機(jī)載動(dòng)力電池實(shí)驗(yàn)球艙，如圖1(b)所示，艙體呈球型，內(nèi)徑為350 mm，有效容積約20 L。艙體下部與壓力控制系統(tǒng)連接，傳感器和充放電線頭等通過(guò)航空密閉插排引入。球艙可變壓調(diào)節(jié)范圍0～200 kPa，艙內(nèi)抽氣速20 m3/h，控壓精度達(dá)0.1 kPa 以內(nèi)，通過(guò)觸屏式控制面板進(jìn)行壓力控制。電池充放電循環(huán)設(shè)備采用藍(lán)電電池測(cè)試系統(tǒng)CT2016D，規(guī)格型號(hào)為10V10A8CT-Q，輸入?yún)?shù)為AC220 V±10%/50 Hz/2 kW，輸出電壓10 V，輸出電流10 A。

圖1 (a)電池樣品及測(cè)試設(shè)備和(b)電池循環(huán)低壓球艙系統(tǒng)Fig.1 (a)Battery samples and test equipment;(b)The low pressure chamber system for the cycle tests of battery

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取當(dāng)下市面普通商用軟包鋰電池，外觀如圖1(a)所示，其正、負(fù)極材料分別為L(zhǎng)i(NiCoMn)O2和石墨，標(biāo)稱容量為5 Ah，標(biāo)稱電壓為3.7 V，工作電壓為2.75～4.25 V，尺寸規(guī)格90.5 mm×61.0 mm×6.5 mm。艙內(nèi)外環(huán)境溫度控制為常溫，采用0.5 C倍率，對(duì)電池進(jìn)行恒流充電-恒壓充電-恒流放電(CC-CV-CC)循環(huán)充放，分別在艙內(nèi)真空(0～3 kPa)和艙外常壓(95 kPa)兩種壓力環(huán)境下進(jìn)行對(duì)比分析。如圖1(b)艙內(nèi)與艙外3 塊電池同時(shí)進(jìn)行充放電循環(huán)，其中艙內(nèi)4號(hào)電池只靜置不做循環(huán)處理，并進(jìn)行多組重復(fù)實(shí)驗(yàn)。采用點(diǎn)狀焊接高靈敏度T型熱電偶(直徑0.5 mm)測(cè)試電池池體溫度，采樣頻率設(shè)置為5 s/次，數(shù)據(jù)在LR6000C無(wú)紙記錄儀記錄。

當(dāng)球艙內(nèi)壓強(qiáng)接近真空狀態(tài)后,同時(shí)打開電池測(cè)試系統(tǒng)和無(wú)紙記錄儀。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，艙內(nèi)微型攝像機(jī)記錄電池外觀變化，循環(huán)數(shù)據(jù)可在各實(shí)驗(yàn)設(shè)備中實(shí)時(shí)觀測(cè)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 艙內(nèi)外電池循環(huán)前后外觀對(duì)比

實(shí)驗(yàn)選取市場(chǎng)商用型Li(NiCoMn)O2軟包鋰離子電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖2(a)、(b)、(e)分別為艙內(nèi)外電池循環(huán)前后表面和厚度變化，當(dāng)艙內(nèi)經(jīng)過(guò)循環(huán)30 次后，電池表面出現(xiàn)大面積凹陷和鼓包，并有多處皺褶痕跡，厚度明顯增加，而艙外循環(huán)相同次數(shù)后其表面平整，厚度未發(fā)生明顯變化。可見在真空環(huán)境下循環(huán)后，電池發(fā)生了嚴(yán)重形變。圖2(d)為艙內(nèi)靜置前后表面圖，此電池僅在真空環(huán)境下靜止，不做循環(huán)充放電處理。與真空環(huán)境下循環(huán)后的電池對(duì)比發(fā)現(xiàn)，電池僅邊角部分出現(xiàn)輕微褶皺痕跡，厚度未發(fā)生明顯變化，因此可進(jìn)一步推測(cè)電池的嚴(yán)重形變是在循環(huán)過(guò)程中造成的。如圖2(c)為艙外循環(huán)100次前后表面圖，電池僅表面出現(xiàn)少許外鼓痕跡，厚度稍許增厚，但其整體形變程度仍不及艙內(nèi)電池。根據(jù)文獻(xiàn)[22-24]，電池充電時(shí)膨脹，放電時(shí)恢復(fù)，且電池的整體漲縮和鋰離子嵌入負(fù)極有關(guān)?？梢婋姵卦诔浞烹娧h(huán)過(guò)程中，是一種可恢復(fù)鼓脹狀態(tài)。引起電池鼓脹的原因有很多，可主要分為三類：①電池極片在循環(huán)過(guò)程中膨脹導(dǎo)致的厚度增加；②由于電解液氧化分解產(chǎn)氣導(dǎo)致的鼓脹；③電池封裝不嚴(yán)引進(jìn)水分、角位破損等工藝缺陷引起的鼓脹。結(jié)合循環(huán)后圖和圖2(f)艙內(nèi)外壓強(qiáng)差對(duì)比可知，在真空環(huán)境下，電池每次充放電時(shí)在進(jìn)行動(dòng)態(tài)的膨脹和收縮，但是相比于常壓環(huán)境下，電池內(nèi)外壓強(qiáng)差減小，內(nèi)部可能出現(xiàn)極片加快增厚，分解產(chǎn)氣速率大于消耗速率等，從而表現(xiàn)出膨脹速率加快，鼓脹行為更明顯，不可逆現(xiàn)象被放大。當(dāng)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，不可恢復(fù)鼓脹不斷累積，最終表現(xiàn)出形變?cè)絹?lái)越嚴(yán)重。

圖2 不同條件下艙內(nèi)外電池變化情況Fig.2 Battery inside and outside the chamber under different conditions

2.2 電流-電壓變化分析

如圖3(a)所示，在常壓環(huán)境下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電流曲線幾乎重合，充放電時(shí)間未出現(xiàn)明顯縮短。如圖4(a)所示，電池放電平臺(tái)穩(wěn)定，位于3.5 V 左右。從圖3(b)可發(fā)現(xiàn)，在真空環(huán)境下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電流曲線向左移動(dòng)，整體循環(huán)時(shí)間不斷減少，而從圖4(b)可發(fā)現(xiàn)，電池電壓曲線斜率越來(lái)越陡峭，初始放電電壓不斷下移，電壓急劇下降的起始點(diǎn)逐漸向左上角移動(dòng)，放電電壓平臺(tái)逐漸消失。在CC 充電階段，第1、10、20、30 次循環(huán)時(shí)，充電時(shí)間分別減少了32.67%、89.35%、91.14%，在CC 放電階段，時(shí)間分別減少了23.42%、70.2%、46.08%?？梢婋姵卦谘h(huán)過(guò)程中，CC充放電時(shí)間在循環(huán)中期即第10 次循環(huán)到第20 次循環(huán)過(guò)程中加速縮短，其中CC 充電曲線在循環(huán)后期幾乎消失。結(jié)合前面分析可知，在真空環(huán)境下，由于內(nèi)外壓強(qiáng)差變化，電池發(fā)生嚴(yán)重不可逆形變，這可能造成內(nèi)部隔膜與電解液親和性降低，極片與電解液接觸面積減少，正負(fù)極材料與隔膜空隙變大等，使得有效嵌鋰面積減少，嚴(yán)重影響Li+在電極之間穿梭，從而導(dǎo)致充放電時(shí)間不斷減少。如圖5 所示為兩種環(huán)境下ΔV的變化，根據(jù)公式

圖3 艙內(nèi)外循環(huán)電流曲線Fig.3 Internal and external circulating current curves

圖4 艙內(nèi)外放電電壓曲線Fig.4 Internal and external discharge voltage curves

圖5 艙內(nèi)外ΔV變化Fig.5 The variation of ΔV inside and outside the chamber

式中，Vcha和Vdis分別表示充電平均電壓和放電平均電壓；Echa和Edis是充電和放電能量；Qcha和Qdis是充電和放電容量，可用于表征電池極化和內(nèi)阻的變化[25]。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，艙外ΔV仍處于較緩慢的增長(zhǎng)狀態(tài)，而艙內(nèi)ΔV增長(zhǎng)速度則明顯加快，這表明在循環(huán)過(guò)程中電池極化加劇，內(nèi)阻惡化，這也是促進(jìn)電池充放電時(shí)間不斷縮短的原因之一。同時(shí)根據(jù)以上變化可進(jìn)一步推測(cè)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，預(yù)設(shè)的0.5 C 充放電倍率因嵌鋰有效反應(yīng)面積減少，使得實(shí)際表現(xiàn)出高于0.5 C 的情況，而根據(jù)文獻(xiàn)[26]可知大倍率充電下，負(fù)極表面可能有金屬鋰析出，因此這可能是導(dǎo)致循環(huán)中期充放電時(shí)間加速縮短的原因。

2.3 容量及保持率分析

結(jié)合圖6(a)和圖7(a)可知，在常壓環(huán)境下，電池循環(huán)30次后，容量保持率仍在97.81%，維持在5 Ah左右，衰減速率緩慢。如圖6(b)所示，在真空環(huán)境下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電池可充放電容量不斷減少，循環(huán)結(jié)束后容量保持率衰減到11.44%。從整個(gè)循環(huán)周期看，衰減速率在電池容量低于80%后，即容量在4.2～3.8 Ah 時(shí)，出現(xiàn)衰減加速的趨勢(shì)，直到容量小于2 Ah 以后，這種趨勢(shì)才減緩，這與電流-電壓曲線在循環(huán)中期時(shí)時(shí)間加速縮短相一致。通過(guò)文獻(xiàn)[18-21]可知，對(duì)電池從外部加壓時(shí)，適當(dāng)?shù)膲毫τ欣跍p少活性鋰的損失，減緩電池容量的衰減，若沒有施加壓力，極片與隔膜之間容易因?yàn)楫a(chǎn)生氣泡導(dǎo)致負(fù)極極片表面出現(xiàn)析鋰現(xiàn)象。因此同理可推測(cè)，真空環(huán)境下，電池內(nèi)外壓強(qiáng)差減小，可參與電極反應(yīng)的Li+數(shù)量降低，導(dǎo)致電池容量發(fā)生衰減。而根據(jù)文獻(xiàn)[27-28]可知，石墨負(fù)極顆粒在充放電循環(huán)過(guò)程中，隨著鋰離子的嵌入和脫出，會(huì)有一定程度的膨脹和收縮，造成顆粒表面的SEI 膜破裂。SEI 破裂后，負(fù)極材料與電解液接觸發(fā)生反應(yīng)，生成新的SEI 膜。因此可進(jìn)一步推測(cè)，真空環(huán)境下，可能加速了SEI 膜的破裂重建，而隨著循環(huán)次數(shù)的增加，活性鋰將被不斷消耗，最終表現(xiàn)出容量衰減加速的現(xiàn)象。如圖7(b)所示，電池在艙外二次循環(huán)后，容量保存率恢復(fù)了16.32%，說(shuō)明經(jīng)過(guò)艙內(nèi)循環(huán)后，容量出現(xiàn)假性損失的現(xiàn)象，真空環(huán)境消失后，容量表現(xiàn)出部分可逆恢復(fù)性。由前面分析可知，在真空環(huán)境下，活性材料與電解液接觸面積減少，使得Li+的有效脫嵌面積減少。當(dāng)進(jìn)行艙外循環(huán)后，內(nèi)外壓強(qiáng)差增大，這可能使得嵌鋰面積局部恢復(fù)增大，從而參與反應(yīng)的Li+數(shù)量短暫增加，表現(xiàn)出容量恢復(fù)。而結(jié)合表1 發(fā)現(xiàn)1、2、3、4 號(hào)電池在艙外短短幾次循環(huán)后，容量又衰減至最初的狀態(tài)，由前面分析知，這是因?yàn)殡姵貎?nèi)部已發(fā)生不可逆物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，表現(xiàn)出不可恢復(fù)形變，因此電池再次出現(xiàn)快速衰減的情況。圖(8)所示為二次循環(huán)前后對(duì)比圖，從電池外表變化可推測(cè)出整個(gè)形變過(guò)程經(jīng)歷了凹陷到表面恢復(fù)部分平整再到向外鼓包的過(guò)程，可見電池形變局部恢復(fù)與容量恢復(fù)有密切關(guān)系，但由于內(nèi)部不可逆變化仍未恢復(fù)，副反應(yīng)產(chǎn)氣等現(xiàn)象仍在繼續(xù)，導(dǎo)致電池最終出現(xiàn)大面積鼓包。

圖6 艙內(nèi)外電壓-容量曲線Fig.6 The curves of voltage-capacity of batteries inside and outside the chamber

圖7 艙內(nèi)外容量保存率Fig.7 The capacity retention rate of batteries inside and outside the chamber

表1 艙內(nèi)和艙外二次循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 The number of Internal and external secondary circulation

2.4 溫度變化分析

如圖9(a)所示，艙外電池溫度在整個(gè)循環(huán)周期里呈現(xiàn)周期性變化，圖9(c)取第1、7、15、24 次溫度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其曲線重合度高，波動(dòng)性較小，溫度差異性不大。而如圖9(b)所示，艙內(nèi)電池隨著循環(huán)次數(shù)的增加，周期不斷縮短，溫度變化趨勢(shì)明顯，整個(gè)曲線變得越來(lái)越密集且尖銳，說(shuō)明真空環(huán)境使得電池溫度差異性變大。圖9(d)進(jìn)一步取1、7、15、24 次溫度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，曲線重合性較差且不斷左移，波動(dòng)性大。由分析可得第1、7 次循環(huán)最大升溫速率分別為K1=4.1 ℃/h、K7=3.2 ℃/h，降溫速率分別為K1=4.8 ℃/h、K7=4.6 ℃/h，而第15、24 次循環(huán)最大升溫速率分

別為K15=31 ℃/h、K24=43 ℃/h，降溫速率分別為K15=10 ℃/h、K24=9.8 ℃/h，很明顯到循環(huán)中后期，溫升曲線的斜率變陡峭，溫度變化速率急劇加快，峰值變得更大，到達(dá)峰值的時(shí)間更短，因此表現(xiàn)出曲線密集且尖銳。假設(shè)n～(n+t)(n，t∈N，n≤i≤n+t)時(shí)間段內(nèi)電池的最高溫度Tmax(ti)，最低溫度Tmin(ti)和溫差ΔTmax(ti)，用以下公式可表征電池表面溫度的均勻性

圖8 艙內(nèi)二次循環(huán)前后三視圖Fig.8 Three views before and after secondary circulation in chamber

圖9 艙內(nèi)外循環(huán)溫度變化Fig.9 Temperature change of internal and external circulation

電池充放電過(guò)程中，最大溫差變化曲線如圖9(e)所示，艙外電池最大溫差整體變化趨于穩(wěn)定。而艙內(nèi)電池整體呈上升的趨勢(shì)，其中在1、7次循環(huán)時(shí)，最大溫差分別為5.9 ℃、5.8 ℃，而在15、24次循環(huán)時(shí)，最大溫差分別為12.9 ℃、11.3 ℃。可見真空環(huán)境下，隨著容量的不斷衰減，循環(huán)周期縮短，電池溫升速率加快，可能導(dǎo)致其內(nèi)阻惡化。同時(shí)周期內(nèi)溫差變大，表面溫度的不均勻性也更嚴(yán)重，電池在充放電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量更大，其在使用時(shí)的安全性能大大降低，潛在熱災(zāi)害危害性增大。

2.5 dv/dq曲線分析

如圖10 是電池放電過(guò)程中獲得的dv/dq曲線。如圖10(a)所示，常壓環(huán)境下，曲線幾乎重合，表明在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中活性鋰損失較少，容量未明顯發(fā)生衰減。如圖10(b)所示，在真空環(huán)境下，曲線形狀發(fā)生顯著變化，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，曲線向左上方移動(dòng)速率加快，部分特征峰逐漸消失，結(jié)合電壓-容量曲線變化可知，這是因?yàn)樵谡婵窄h(huán)境下，容量急劇衰減，電極處參與有效反應(yīng)的Li+大量減少所致。如圖10(c)所示，進(jìn)一步取前9 次循環(huán)，結(jié)合容量衰減率可知，電池僅僅經(jīng)過(guò)9次循環(huán)后容量就衰減了24.17%，低于80%標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命。從圖中發(fā)現(xiàn)除了特征峰1外，其他特征峰2、3、4均出現(xiàn)了明顯的左上方移動(dòng)的現(xiàn)象，表明有活性鋰損失，經(jīng)過(guò)9次循環(huán)后，曲線轉(zhuǎn)移到3.5 Ah左右。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，特征峰1逐漸變得尖銳，由前面分析可知，真空環(huán)境下，Li+的有效嵌鋰面積減少，電池實(shí)際可能以大于0.5 C 倍率進(jìn)行充放電，因此導(dǎo)致負(fù)極可能出現(xiàn)析鋰，從而峰值變得尖銳。而2、3、4 特征峰出現(xiàn)向左上方高SOC 偏移，根據(jù)文獻(xiàn)[29]可推知，這是由于陽(yáng)極鋰的不可逆損失，導(dǎo)致陰極向高SOC 轉(zhuǎn)變。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，特征峰1 和2 之間的距離縮短，這可能是開始時(shí)正極處于100% SOC 狀態(tài)，受正極影響的特征峰1還沒有移動(dòng)，而隨著容量的衰減，放電過(guò)程中正極SOC 降低速度快于初始狀態(tài)，導(dǎo)致兩個(gè)峰距離變短。

圖10 艙內(nèi)外循環(huán)dv/dq曲線Fig.10 dv/dq curve of internal and external circulation

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)通過(guò)常壓環(huán)境與真空環(huán)境下對(duì)比，利用軟包鋰離子電池進(jìn)行循環(huán)充放電實(shí)驗(yàn)，分析電池在真空環(huán)境下的性能變化，得出以下結(jié)論：

（1）電池循環(huán)后，表面出現(xiàn)大面積凹陷和鼓脹，并有多出褶皺，厚度增加明顯，且此不可逆的形變產(chǎn)生于電池充放電過(guò)程中。真空低氣壓環(huán)境下，電池循環(huán)過(guò)程中在進(jìn)行動(dòng)態(tài)膨脹與收縮運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)氣、電極材料等造成的膨脹效應(yīng)被放大，導(dǎo)致電極材料之間產(chǎn)生間隙，充放電性能極大程度受到影響，電池安全性能降低。

（2）隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電池單位循環(huán)時(shí)間不斷減少，并在中期出現(xiàn)加速縮短的現(xiàn)象。這表明，一方面，低壓真空可能造成隔膜與電解液親和性降低，電極材料之間緊密度下降，導(dǎo)致內(nèi)阻增大，Li+在電極間通行受阻；另一方面，有效嵌鋰面積減少，電池以大于0.5 C 高倍率進(jìn)行充放電，導(dǎo)致可能出現(xiàn)析鋰現(xiàn)象。

（3）隨著循環(huán)次數(shù)增加，可逆容量不斷減少,且容量衰減至80%后衰減速率加快，而艙外再次循環(huán)后，出現(xiàn)部分容量恢復(fù)。這表明，一方面，真空低壓下加速了活性鋰消耗，對(duì)電池產(chǎn)生極大不可逆的容量損傷；另一方面，低壓下循環(huán)形成的電極材料間隙，其造成的容量衰減，會(huì)隨著外界低壓的消失，出現(xiàn)部分容量的恢復(fù)，這說(shuō)明壓強(qiáng)差的增大，嵌鋰面積可能出現(xiàn)局部恢復(fù)，從而參與有效反應(yīng)的Li+數(shù)量增加。

（4）電池循環(huán)溫度曲線重合性差且波動(dòng)大。隨著循環(huán)容量的衰減，電池周期性地升、降溫速率加快，周期內(nèi)溫差大幅增大，溫度不均勻性加速惡化，體系性能加速衰減內(nèi)阻變大。這使得電池?zé)岱€(wěn)定性和安全性變差，同時(shí)潛在的熱災(zāi)害危害性變大。

（5）以Li(NiCoMn)O2/石墨為材料的軟包鋰離子電池在真空環(huán)境下循環(huán)后，電池循環(huán)性能衰減嚴(yán)重，整體安全性降低。真空低氣壓特殊環(huán)境下鋰電池充放電循環(huán)性能與常壓環(huán)境有很大不同，此關(guān)于普通商用軟包鋰電池循環(huán)研究實(shí)驗(yàn)，可為飛行器等低氣壓甚至真空環(huán)境下，鋰電池的設(shè)計(jì)選型和安全應(yīng)用提供思路和技術(shù)參考。