摘要：我有两个手机，没有用几次就收藏起来了。许多年后我重新拿出手机，发现这些手机的电池都膨胀了。这到底是肿么了？那王自如收藏的几百个手机肿么办？这些手机电池是否有危险？

引言

随着新能源汽车与高能量密度电子设备需求的爆发式增长，锂离子电池的能量密度与循环寿命持续攀升，但伴随而来的电芯膨胀力问题日益凸显。电芯膨胀力源于充放电过程中电极材料的体积变化、副反应产气及机械应力累积，其数值可达数千牛（如NCM523体系膨胀力达25kN），直接威胁电池安全性并加速性能衰减。本文系统性解析电芯膨胀力的作用机制、关键影响因素及多维改善路径，并梳理当前行业领先技术方案。

一、电芯膨胀力的核心影响

1. 机械结构损伤

①壳体变形与密封失效：膨胀力超过壳体屈服强度（如铝壳屈服强度90-120MPa）时，引发壳体鼓包或焊缝开裂，导致电解液泄漏与外部短路；

②极片褶皱与活性物质剥离：硅基负极体积膨胀率>300%，造成电极涂层龟裂，活性物质与集流体接触电阻增加50%以上。

2. 电化学性能衰退

①容量衰减加速：膨胀力的持续增大会导致电极孔隙率下降，锂离子的传输路径受阻，从而导致循环后期膨胀力大的区域电解液贫液，容量快速衰减；

②内阻非线性增长：膨胀力通过改变界面化学行为间接提升了阻抗，负极SEI膜破裂再生使界面阻抗增加，增厚的SEI膜提高锂离子扩散能垒。同时，膨胀力会使得电极孔隙分布不均匀，增大锂离子的浓差极化。

3. 热失控风险升级

①局部热点形成：膨胀力分布不均引发电流密度差异，局部温升速率提高，触发链式放热反应；

②产气速率激增：膨胀力挤压导致电解液分解加速，产气量达增大，严重时压力超过泄压阀阈值时引发爆燃。

二、电芯膨胀力的关键影响因素

1. 材料体系差异

2. 结构设计参数

①极片数量：单电芯极片数>100时，累积膨胀力增幅达60%；

②堆叠方式：Z型叠片较卷绕结构膨胀均匀性提升40%，卷绕在拐角处的非平面性会导致电极界面的恶化；

③壳体刚度匹配：模组端板刚度需>500MPa，以抑制电芯膨胀传递导致的模组或电池包形变。

3. 工艺控制要素

①极片压实密度：压实密度从2.4g/cm³提升至3.0g/cm³以上时，由于循环过程的极片反弹，膨胀力增幅达80%；

②电解液浸润度：浸润不足区域产气量增加，局部膨胀力波动系数>0.35。

三、多维改善策略与技术路径

1. 材料体系创新

①高稳定性材料

单晶高镍材料：晶界减少使体积变化率降低，膨胀力峰值改善，同时高镍材料可提升能量密度，释放烹膨胀空间；

磷酸锰铁锂（LMFP）：Mn元素掺杂提升结构刚性，膨胀力较磷酸铁锂明显降低。

低膨胀率负极：通过多级孔隙调整，构建纳米级介孔碳骨架，或采用高/低硅氧比颗粒梯度分布策略，实现膨胀力的下降

低产气电解液：减少低抗氧化性溶剂使用，控制电解液的水含量，降低循环和存储的产气量以缓解电芯的软膨胀

②预锂化与缓冲层设计

预锂化：预锂化通过在首次循环前补充锂源，提前形成稳定且致密的SEI膜，减少后续循环中因SEI反复破裂/再生导致的体积波动，且SEI膜厚度降低，缓解电芯膨胀力增长；

缓冲层：石墨烯包覆层（厚度

2. 结构优化设计

①膨胀空间预留

电芯顶部预留0.5-1mm气室，配合弹性泡棉（压缩率>50%）吸收膨胀形变；蜂窝状壳体结构（壁厚0.3mm）使抗压强度提升至150MPa，重量减轻20%。

②力-热耦合管理：

三维极耳设计缩短电流路径，使膨胀力分布均匀性提高；相变材料（石蜡/膨胀石墨）填充层将温升速率控制在1℃/min以下。

3. 工艺与流程升级

①干法电极技术

无溶剂工艺将电极孔隙率从15%提升至35%，膨胀力衰减速率降低；原位固化粘结剂（如PVDF-HFP）使电极剥离强度从0.8N/mm提升至2.5N/mm。

②精准化成控制

多阶恒压充电（如0.1C→0.5C梯度提升）使SEI膜厚度均匀性更优，产气量减少

四、行业领先技术方案

1. 宁德时代第三代CTP技术

结构创新：大面液冷板与弹性胶体一体化设计，膨胀力传递衰减率>70%；

材料升级：双掺杂单晶NCM正极 + 纳米硅碳负极，膨胀力峰值控制在15kN以下。

2. 特斯拉4680结构化电池

无极耳（Tab-less）设计：全极耳激光焊接使电流密度均匀性>95%，膨胀力分布标准差

干法电极工艺：电极孔隙率40% + 超厚涂层（200μm），5C循环膨胀率增幅

3. 比亚迪刀片电池2.0

梯度模组框架：高强钢（抗拉强度1.2GPa） 结合柔性连接片，Pack膨胀形变

磷酸铁锂纳米化：粒径D50从3μm降至0.8μm，体积变化率从5%降至2%。

五、结语

电芯膨胀力作为锂离子电池高能量密度化进程中的核心挑战，需通过材料-结构-工艺协同创新实现系统性突破。当前技术已从单一物理限位转向多物理场耦合调控，如宁德时代CTP-III的力-热协同设计、特斯拉4680的全极耳电流均质化方案等，将膨胀力对电池性能的影响降低50%以上。

未来，基于人工智能的膨胀力实时预测与自适应控制、新型固态电解质界面（SEI）自修复技术等，将推动电池系统在更高能量密度与更严苛工况下的可靠运行。

来源：莱娜探长