机械约束延长老化锂离子电池寿命：抑制产气与维持结构完整性的关键作用

本研究针对日历老化锂离子电池(LIBs)在循环过程中因产气膨胀导致的容量快速衰减问题，通过对比约束/非约束条件下的循环性能，发现施加0.38 MPa外部压力可抑制电解质分解产气(NMC532阴极/石墨阳极体系)，使600次循环后容量保持率提升至83%，并通过X射线CT和数字图像相关技术证实机械约束能延缓壳体塑性变形和电极分层。该成果为电动汽车电池模组设计和梯次利用提供了压力调控策略。

　　

随着电动汽车的快速发展，锂离子电池(LIBs)的寿命问题日益凸显。电池在存储（日历老化）和使用（循环老化）过程中，电解液与电极材料间的副反应会导致固体电解质界面(SEI)增厚、活性物质损失(LAM)和气体生成。尤其令人头疼的是，老化电池在循环时产生的气体会引发壳体膨胀，进而加速电极分层和容量衰减——这种现象在梯次利用的退役电池中尤为严重。传统解决方案多聚焦于材料改性或优化充放电协议，却忽视了机械压力这一关键因素。

美国东北大学机械与工业工程系的研究团队在《Cell Reports Physical Science》发表突破性研究，首次系统揭示了外部机械压力对老化LIBs性能的调控机制。研究人员采用商用丰田49Ah prismatic电池(NMC532/石墨体系)，通过独创的"约束夹具+力传感器"装置（图S3），结合X射线断层扫描(CT)和三维数字图像相关(3D DIC)技术，发现0.38 MPa的恒定压力可使600次循环后的容量保持率较非约束组提升83%，并成功实现已膨胀电池15.8%的容量恢复。这项研究为延长电池寿命提供了全新视角——通过简单的机械约束即可抑制副反应动力学。

关键技术包括：1) 设计可实时监测压力的循环夹具（预载5kN）；2) 采用3D DIC技术追踪电池表面位移场；3) 多时间点X射线CT扫描分析内部结构演变；4) 增量容量分析法(IC)解析衰减模式；5) 温度场监测关联内阻变化。所有实验均在25°C控温环境下进行，对比组包含日历老化(50% SOC存储6个月)和实际车用循环老化电池。

非约束循环的性能表现

CT扫描显示：200次循环后壳体开始塑性变形，300次循环出现电极分层，400次循环形成大气囊（位移达29.1mm），最终600次循环时容量归零。值得注意的是，膨胀拐点（250次循环）总是先于容量拐点（350次循环）出现，这为电池健康监测提供了预警指标。IC曲线证实衰减主要源于LLI（锂库存损失）和LAM，而温度骤升（图1D）则预示内阻(RI)的急剧增加。

机械约束的延寿机制

约束组在800次循环后仍保持结构完整性（图3D），仅边缘出现微小气囊。根据勒夏特列原理，增加气体分压可抑制电解质分解反应平衡移动。更重要的是，约束条件维持了电极间紧密接触，使电化学活性面积稳定。当对已经历300次非约束循环的电池施加约束后，不仅容量回升15.8%，后续400次循环的衰减速率也显著降低（图3E）。

降解机理模型

研究提出三重耦合机制：1) 产气引发壳体塑性变形；2) 变形导致电极分层，增大内阻；3) 温升加速副反应。而机械约束通过打破这一正反馈循环，将电池寿命延长超100%。

该研究颠覆了传统认知——即便对已老化的LIBs，机械约束仍能显著改善性能。这对电动汽车电池包设计具有重要启示：保持模组级约束压力（0.38-0.77 MPa）既能延长原装电池寿命，又能提升退役电池的梯次利用价值。未来研究可进一步探索压力参数与不同电池化学体系的适配性，推动该技术走向产业化应用。