霍克锂电池基于工艺-结构优化策略的硅基圆柱电池循环性能研究
高能量密度锂离子电池（LIBs）作为储能装置被广泛应用，但其电极在工作过程中会发生显著体积变化，同时电池单元会发生扩展包现象，导致电池内部不可逆的应力累积。本研究提出了工艺-结构优化策略，以缓解LiNi0.8Co0.15Al0.05采用硅-石墨复合负极的21700圆柱电池（能量密度230 Wh/kg）在循环过程中因硅负极膨胀产生的机械失效问题。本研究通过建立卷绕张力与电极应力分布的定量模型，揭示了不同卷绕直径处的径向应力分布规律。采用优化卷绕张力的电池在经过C倍率循环后，容量保持率提升约30%。引入聚四氟乙烯支撑棒的动态应力缓冲机制有效维持了电芯结构完整性。该组合策略使电池在C倍率循环后的综合性能提升29.07%。研究阐明了工艺参数与机械失效的关联机制，为高能量密度锂离子电池的工程化研究提供了新思路。2/Si-graphite type 21,700 cylindrical batteries (with an energy density of 230 Wh/kg), caused by silicon anode expansion during cycling. By creating a quantitative model linking winding tension to electrode stress distribution, the study reveals radial stress at different winding diameters. Cells with optimized winding tension exhibited approximately 30% improvement in capacity retention after C-rate cycles. The introduction of polytetrafluoroethylene rods maintains cell integrity through dynamic stress buffering. This combined strategy boosts performance by 29.07% after C-rate cycles. The study elucidates the relationship between process parameters and mechanical failure, and offers new ideas for engineering research on high-energy-density LIBs.
引言
锂离子电池（LIBs）的广泛应用始终伴随着新兴电动汽车市场面临的续航焦虑困境[1][2]。硅因其高达3579 mAh g<sup>-1</sup>的理论比容量，已成为实现电动汽车（EV）电池所需能量密度的极具前景的负极材料候选者。−1然而在循环过程中，硅负极材料显著的体积变化极易导致容量快速衰减，进而引发负极粉化、电接触丧失以及固体电解质界面（SEI）不稳定等一系列问题[4]。为应对这些挑战，研究者采取了多种策略，例如对硅材料进行纳米结构化[5]、对硅颗粒进行碳包覆或复合[6]，以及构建稳定的SEI层[7]，以缓解容量快速衰减问题。在某些情况下，开创性研究[8][9]已阐明压应力与电池性能退化之间的关联。然而，电池压力是随电池寿命演变的动态变量[10]。%%传统石墨负极的体积膨胀率不足10%[11]，相比之下硅材料的体积膨胀率显著更高（约300%）[12]。尽管硅在锂化过程中会发生软化现象，但理论分析与实验证据均表明硅材料中存在锂化诱导的塑性流动[13]。%%此外，研究表明锂离子电池中硅的塑性行为受外部压力影响[14]。Dong等[15]通过原位X射线成像技术发现硅电极存在溶胀延迟现象，即电流反转后颗粒仍持续膨胀，与预期的颗粒收缩行为相悖。此外，考虑到外部压力、荷电状态（SOC）以及健康状态（SOH），部分研究者已开始评估利用电池压力测量技术来评估硅基负极锂离子电池状态并优化其性能的潜力[16][17]。
理解压力边界对硅基负极锂离子电池的影响至关重要。研究表明，通过测量和分析循环过程中压力演变发现[18][19]，施加外部压力可提升各类硅基软包电池的容量、延长循环寿命并降低内阻。Friedrich等人[20]发现，在0.2MPa和0.7MPa条件下，纽扣电池(coin cells)表现出相近性能，而超高压(2MPa)则会导致快速衰减。然而，在较高压力（1 MPa）条件下，降解对压力的敏感性较低，这表明可能存在一个与硅含量相关的阈值[21]。对于大型软包电池而言，将压力从0.05 MPa提升至0.2 MPa可改善循环寿命，而继续增加至0.5 MPa仅能抑制阻抗增长，却无法延长寿命[22]。通过压力范围调整实验，研究者确定0.1–0.3 MPa为最优区间[23]。现有研究主要集中于软包电池，关于圆柱电池所施加压力及其降解机制的文献较为有限。现有关于圆柱电池的研究主要集中在过充[24][25]等滥用条件下的应力分布建模，或分析屈曲与塌缩机制[26]，均未涉及制造工艺导致的初始内应力作用。此外，虽然钢制中心轴等机械辅助件能部分抑制卷芯塌缩，但其优势常被显著的重量与成本代价所抵消[27][28]。这凸显了对轻量化、可集成内应力管理解决方案的需求。
本文研究了工艺-结构优化策略对NCA/硅-石墨圆柱电池循环性能的影响。通过调整不同卷绕张力，可实现对卷芯预紧力的控制。研究发现，适当的卷绕张力能有效减缓电池性能衰退并提高稳定性。同时，在卷芯内部添加聚四氟乙烯（PTFE，轻量化材料）可诱导应力释放并抑制内部坍塌。本文还探讨了这两种策略共同作用下的衰退机理。这种轻量化工艺-结构协同优化策略共同提升了电池的循环寿命。
