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不同电池材料，体现出不一样的膨胀程度。通常认为正极材料在充放电过程中的体积膨胀影响较小，而负极的体积膨胀得到更多关注。高比容量负极在充放电过程中均面临体积膨胀问题，厚度的增加将导致电池内部应力累积。为了理解电极过程和失效机理，从而优化电极和电池设计，推动新型高比容量负极在高能量密度电池中的研发和应用，可采用压力传感器或者厚度测试仪对电池的体积膨胀进行测试。
钠离子电池的负极是硬碳，在充放电过程中基本不膨胀，名符其实的硬。钛酸锂在正常电压范围2.0~0.8V下体积几乎不膨胀，但是若嵌锂过量，电压下降至0.8V以下，钛酸锂仍然可以嵌锂有容量，但是体积膨胀也会陡增。石墨负极的体积膨胀其实也不小，对于高压实石墨，1.45的时候，相对于新鲜极片，首次充电过程中满电态体积膨胀~20%，如石墨压实增加，体积膨胀率更高。因此可以初步了解，电池厚度变化受电极材料、充电状态、材料面密度，甚至电池体系、电解液等都有影响。
发生转化反应（Ｃonvertion Ｒeaction）的负极材料，如硅、磷等，由于一个锂离子的嵌入或脱出通常伴随一个以上的电子转移，这使得材料具有较高的理论容量。与石墨的嵌入反应（Intercalation Reaction）不同，转化反应的体积膨胀通常都较高。硅负极的体积膨胀效应是其规模化应用的最大障碍，体积膨胀引起活性材料结构破坏，导致材料破碎粉化，加快容量衰减，可能影响电池装配空间的形变，甚至会影响模组/系统的机械机构，引发安全问题。通常情况下，电池充电的时候体积会膨胀，放电的时候会缩小。硅负极的体积膨胀比较有趣，在一篇文献中，报道了这种有趣现象[1]。放电过程中的体积膨胀会经历先降低再上升然后再降低的过程，文章解释是SiOx/石墨负极的电池在放电过程中应力还会有增大的过程，这主要与 SiOx复杂的嵌锂/脱锂过程有关。图4为动力电池膨胀力测试装置，通过使用固定装置将测试电池和压力传感器固定，并将电池和充放电设备相连。由于电池的膨胀并不均匀，在电池和力传感器之间放置一块可以上下自由移动的铁板来将膨胀力均匀分布，并进行实时测量。测试装置连接完毕后，将其置于温度箱内。在另一篇会议文章中【2】，详细阐述了这种有趣现象及其解释。NCM523/15%SiO-85%Gr在放电过程中的体积膨胀符合常规情况，即逐渐降低。但是811/15%SiO-85%Gr却不一样，到80%SOC的时候，电池体积又有升高甚至超过充电时的体积膨胀，放电至50%SOC时体积达到最大值然后体积正常降低。在放电过程厚度反而有一个上升的过程。究其原因，因为正极的形变不能忽略了。811和523在放电过程中的形变是不同的，在4.25V～4.3V，811有比较大的形变，体积急剧增大，但是523相对比较平缓。对于放电过程中，体积膨胀出现升高，对此现象提出的解释是：对于混合负极而言，硅和石墨二者在充放电过程中是并联的，并联的电压相同，因此嵌锂的顺序取决于各自的嵌锂电位。根据石墨和硅两种材料的各自的充放电曲线（见下图5），充电的时候先是硅嵌锂，然后到了200mV石墨嵌锂，150mV又是硅嵌锂后，接下来120~85mV基本是石墨的嵌锂，最后还有很少的硅嵌锂。放电的时候，因为石墨的脱锂电位低、硅的脱锂电位高，所以优先是石墨脱锂，硅维持不动，起到骨架支撑作用（同时硅的体积依然保持高膨胀状态），脱出的锂嵌入正极811中，正极晶格体积迅速回升，而锂硅不变自身的体积本来就大，正负极叠加的结果是整体体积显得会更大，表现为全电池膨胀在放电过程中才达到厚度最大值。在第三篇文献中，有三种硅负极电池，趋势均为充电时增加，放电时减小，这主要与充电时负极嵌锂的体积膨胀远大于正极脱锂时的体积收缩，因此净膨胀是增加的，而放电时相反。A和C电芯在接近满充态时，三种膨胀曲线均有平坦的趋势，而B电芯表现出尖锐的转变趋势。图3. 三种含硅体系电芯的原位体积、应力、厚度变化曲线据图5,充电的时候，先是硅嵌锂，然后到了200mV石墨嵌锂，150mV又是硅嵌锂后，接下来120~85mV基本是石墨的嵌锂，最后还有很少的硅嵌锂。放电的时候，因为硅的脱锂电位高，所以优先是石墨脱锂。图6. 电芯A（NCA/SiO-Gr）的膨胀曲线定量拆解参考文献：[1]林春景, 李丹华, 温浩然, 马天翼, 常宏, 常沛祥, 李海强, 刘仕强. 动力电池在充电过程中的膨胀力特性[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(5): 1627-1633.[2]https://mp.weixin.qq.com/s/w4bL6WdAG-PP9XvQKdnfEg 刘建红-Si基高能量密度电池原位膨胀机理分析及电池设计 (qq.com)[3]A. J. Louli, Jing Li, S.Trussler, Christopher R. Fell, and J. R. Dahn. Volume, Pressure and ThicknessEvolution of Li-Ion Pouch Cells with Silicon-Composite Negative Electrodes. Journalof the Electrochemical Society, 164 (12) A2689-A2696 (2017)锂电联盟会长向各大团队诚心约稿，课题组最新成果、方向总结、推广等皆可投稿，请联系：邮箱libatteryalliance@163.com或微信Ydnxke。工艺，研发，机理和专利！软包电池方向重磅汇总资料分享！
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