电动汽车用锂离子电池（LIBs）的可靠运行受机械夹紧机构等预紧条件的显著影响。本研究针对51Ah方形三元锂离子电池，探究了不同预紧力与夹持结构下充放电过程中的瞬时力特性与电化学阻抗特性。研究首先获取了采用云母片基准夹持结构的电池在预紧状态下的瞬时力演变规律，并采用结合Tikhonov正则化的动态电化学阻抗谱（DEIS）方法识别关键阻抗。实验测试结果表明：恒流（CC）充电阶段瞬时力先上升后下降，恒压（CV）充电阶段持续降低，而在恒流放电阶段则呈现小幅上升后显著读档的特征。在固定的预紧力条件下，瞬时作用力随着充放电倍率从0.3C提升至3C呈现先下降后上升的趋势，其中1C倍率对应最小作用力与阻抗值。在给定充放电倍率时，瞬时作用力相对于预紧力的增量及阻抗值均随预紧力增大而增加。此外，通过改进夹持结构可有效降低瞬时作用力。在研究的不同夹持结构中，采用泡沫硅胶与弹性垫圈组合的构型可产生最小的瞬时作用力增量——仅为云母板基准结构观测值的23.6%，且总体阻抗最低。这些发现为预紧条件下的参数化效应提供了重要见解，有助于提升锂离子电池的机械稳定性、电化学性能及整体健康状态。

图文摘要

引言

随着电动汽车(EV)行业的快速发展，锂离子电池(LIBs)已成为最高效且应用最广泛的储能元件之一，在应对全球能源危机和缓解环境污染方面发挥着关键作用[1][2]。然而在充电过程中，电池会因可逆反应中的锂嵌入、副反应、锂析出、固体电解质界面相(SEI)形成以及气体生成等内部变化而表现出Expansion行为。电池的过度膨胀可能影响结构完整性，并加速可用容量与健康状态(SOH)的衰减[3][4]，更严重时还会引发包括内部短路与过热在内的一系列安全隐患[5][6][7]。随着电池老化，其结构破坏逐渐加剧，导致膨胀力持续增大，反之亦然[8]。Niu等人[9]证实了电池膨胀力与SOH之间存在强线性关联。当燃料费大量产生时，膨胀速率可能偏离线性关系，这可作为容量即将衰减的早期预警信号。因此，研究运行过程中产生的膨胀力对于理解电池行为及预测其健康状态具有重要科学价值和现实意义。
一般而言，当锂离子电池组装成电池组时，需施加适当的预紧力以确保结构完整性和长期可靠性。Höschele等人[10]研究了预紧力的影响，发现预紧力增加会导致软包电池内部受力增大。Xu[11]对不同预紧条件下循环充放电后的软包电池进行拆解分析，结果表明：尽管两组电池的正极均未变化，但负极均出现了锂析出现象。此外，施加的力导致电池内部生成的燃料费在卷芯折叠边缘处积聚，形成气泡。%% [12]进一步指出，应力演化的变化可分为三个不同阶段——充电、静置和放电，而此类应力演化主要由石墨负极材料的力学特性决定。
研究表明，电池在充放电循环过程中电极颗粒会发生一定程度的扩展包并产生机械应力[13][14]。通过在电池内部嵌入柔性传感器，可测量燃料费析出和电极扩展包力等内部参数，从而估算其内部应力状态[15]。Peabody等人[16]研究了软包电池在正常工作与存储条件下，预紧力与其力学行为、电化学性能及容量衰减之间的关系。Barai等人[17]研究了外力对镍锰钴(NMC)基锂离子软包电池电化学性能的影响，发现过大的外力会增大电池内阻并降低容量与功率输出，而适度的机械力则有助于延长电池寿命。因此在模组设计中控制作用力范围对防止过压导致的性能劣化至关重要。Song等[18]监测了圆柱电池在不同倍率下的应变行为，发现当倍率低于2C时应变呈平稳上升趋势；但当倍率超过2C后，电池内部镀锂现象加剧，促进锂枝晶生长并刺穿电极层，导致内应力剧增和应变陡升。
尽管既往研究主要集中于软包电池的力学响应与失效机制，针对应用更为广泛的方形硬壳电池的研究仍相对有限。此外，预载荷条件下的力学行为会影响电池阻抗特性，但现有研究鲜少从电化学阻抗谱（EIS）角度对此进行探讨。
通常，电化学阻抗谱（EIS）可用于在静态条件下（无充放电电流时）获取反馈信号，并测得不同交流频率下的阻抗与相移信息，从而实现对电池内部极化过程的表征[19][20]。就当前原位测量与诊断技术的发展现状而言，应用EIS分析机械载荷作用下电池阻抗行为的研究仍处于初步阶段，相关成果相对有限。Drießen等学者的研究表明...[21]引入特定电化学阻抗谱参数与频率域，用于检测由加速冲击或局部机械变形引发的电池结构变化。其研究结果表明：欧姆阻抗与SEI膜阻抗对机械冲击的敏感度最高，而扩散阻抗表现出相对较低的敏感性。Mussa等[22]采用弹簧加载式EIS装置，研究了外部压缩对NMC(1:1:1)/石墨单层锂离子软包电池性能与老化行为的影响。研究表明，约1.3 MPa的最佳预紧力能有效降低长期循环过程中可循环锂的损失，这凸显了电池内部电化学行为与机械行为的强耦合作用。尽管相关研究有限，但需要指出的是，电化学阻抗谱（EIS）可作为表征方形锂离子电池力-电耦合行为的有效工具。为更好地理解预紧力条件下电池的力-电相互作用机制，亟需在该方向开展更深入的探索。此外，现有结合力学分析的静态电化学阻抗谱（EIS）测试多为独立进行，未能与充放电过程同步。这种做法与实际电池运行中的动态工况存在偏差。为更精确地捕捉电池工作状态下的阻抗特性，本研究在放电过程中实施EIS测量——该方法被称为动态电化学阻抗谱（DEIS），用以反映电池的实时电化学响应。
本研究旨在揭示瞬时力的演化规律，并阐明机械约束如何影响内部电化学行为。为此，我们开发了专用夹持实验装置，系统研究了预紧力、充放电倍率、夹持结构、环境温度等多性向参数下锂离子电池瞬时力与阻抗特性的变化规律。实验表明：通过采用适当的预紧力和充放电倍率，可有效抑制瞬时力增量，从而降低整体阻抗并延缓电池老化进程。与既有研究相比，本工作开发的机械缓冲式夹持结构具有显著优势，可实现最低水平的瞬时力。此外，测试配置中还集成了DEIS测量技术，该技术能更真实地反映实际工况条件，并为评估锂离子电池在实用场景中的机械稳定性和安全性能提供关键数据支撑。

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