振动条件下LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/石墨锂离子电池性能退化机制与抗震设计启示

针对振动环境导致锂离子电池(LIBs)性能衰减的工程难题，研究人员通过计算机断层扫描(CT)和电化学表征，揭示了NCM523/石墨电池在振动应力下电极材料破裂、锂库存(LII)损失等退化机制，提出振动因素需纳入电池预警模型修正，为航天器及电动车抗震设计提供关键依据。

　　

在航天器、卫星和电动汽车等移动设备中，锂离子电池(LIBs)作为核心储能部件，长期暴露于复杂机械振动环境。然而，当前电池寿命预测模型鲜少考虑振动因素，导致实际工况下的性能评估存在显著偏差。尤其对于广泛应用的18,650圆柱型NCM523(LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂)电池，振动引发的内部结构变形如何影响其电化学性能和热安全性，仍是亟待揭示的科学问题。

江苏大学的研究团队通过系统性实验设计，首次结合非破坏性成像技术与深度电化学分析，揭示了振动应力对电池性能的渐进式破坏机制。研究发现，振动会导致电池卷芯(jelly roll)结构变形，引发电极活性材料颗粒破碎和剥离，加速锂库存损失(LII)和活性物质损失(LAM)。经过1000次循环后，振动组电池容量衰减较对照组增加5.4%，且热失控触发温度降低12.3℃，证实振动会显著恶化电池的安全边界。

关键技术方法包括：1) 采用计算机断层扫描(CT)可视化振动导致的内部结构变形；2) 通过电化学阻抗谱(EIS)量化界面阻抗变化；3) 建立多速率充放电测试评估极化行为；4) 结合拆解分析验证电极材料微观损伤。

研究结果

1. 电池样本选择：选用商用18,650型NCM523/石墨电池，通过振动台模拟实际工况的随机振动谱。

2. 加速老化验证：3C倍率测试显示振动组电池极化电压升高18.7%，表明内部阻抗显著增加。

3. 退化机制分析：CT图像证实振动导致正极颗粒裂纹率增加23.5%，负极SEI膜厚度增长2.1倍。

4. 热安全性评估：振动组电池热失控起始温度降低至142℃，且放热量增加34.2%。

结论与意义

该研究首次建立了振动应力-结构损伤-性能退化的关联模型，证明机械振动会通过物理损伤和化学失稳双重途径加速电池失效。特别重要的是，发现振动引发的微结构变化会在循环过程中被持续放大，这对现有电池健康状态(SOH)评估模型提出了修正需求。研究成果为航天器减震设计、电动车电池包优化提供了量化依据，并被建议纳入下一代电池预警系统的核心参数集。论文发表于能源领域权威期刊《Journal of the Energy Institute》，为提升极端环境下储能设备可靠性奠定了理论基础。