18650電池最早由日本索尼公司推出，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展已經(jīng)成為了最成熟、最穩(wěn)定的通用鋰離子電池型號，無論是在一致性，還是在安全性上都達到了非常高的水平。并且經(jīng)過多年的發(fā)展，18650電池的產(chǎn)業(yè)鏈配套非常成熟，成本低廉，這一系列的優(yōu)點讓特斯拉公司最終選擇了松下的18650電池作為其電動汽車的動力電池（目前已經(jīng)逐步替換為21700電池）。

鋰離子電池循環(huán)過程中會由于電化學、機械等因素引起可逆容量的持續(xù)衰降，影響鋰離子電池的使用壽命。由于鋰離子電池密封結構的特點，因此我們對鋰離子電池衰降原因的研究通常需要采用破壞性的手段，將電池進行解剖。但是近年來一些先進檢測手段的出現(xiàn)，例如中子衍射、CT等，讓我們能夠在不破壞鋰離子電池結構的前提下對鋰離子電池的衰降原因進行研究。近日，歐洲委員會聯(lián)合研究中心的A.Pfrang（第一作者）和E.Figgemeier（通訊作者）利用CT手段對鋰離子電池在循環(huán)過程中的衰降機理進行了研究。CT分析表明即便是在電池中心存在中心針的情況下，經(jīng)過長期循環(huán)后電芯依然發(fā)生了明顯的形變，形變會導致正極活性物質從Al集流體的表面剝落，引起容量的加速衰降，而正極極耳引起的電芯結構的不均勻性是引起電芯形變的重要因素，需要在后續(xù)的設計中加以優(yōu)化。

實驗中采用的電池為三洋公司生產(chǎn)的18650電池，電池的容量為2.05Ah，能量密度為165Wh/kg，電池分別按照下表所示的SoC和DOD進行循環(huán)，并采用CT為循環(huán)后的電池內部結構進行掃描（CT設備來自GE公司，最大分辨率為5um）。

首先A.Pfrang對三洋的電池內部結構進行了解剖，三洋的電池結構如下圖所示，正極寬度為56mm，負極寬度為58mm，隔膜寬度為59mm，正極極耳留在正極片中央位置，負極極耳留在尾部位置，正極和負極在尾部都留有一部分光箔，這主要是為了在針刺實驗時避免正極活性物質與負極活性物質直接接觸，從而提高針刺安全性。電芯的中央放置中空的中心針，與其他廠家中心針不同的是，三洋電池的中心針上具有一條刻縫，可能是設計者希望電池在熱失控中產(chǎn)生的氣體有足夠的擴散通道，或者希望電解液能夠通過電芯中間進行浸潤，提高電解液的浸潤效果。

下圖為通過CT掃描獲得的未循環(huán)18650電池的截面圖，從圖中能夠看到三洋的電芯近乎呈現(xiàn)完美的圓形結構，僅僅是電芯中間（位置8）的部分因為正極極耳的存在導致電芯有一定的變形。

雖然三洋電池的電芯中間部分加入了中心針，理論上能夠為電芯提供一定的支撐，防止電芯坍塌，但是經(jīng)過循環(huán)后18650電池的電芯部分仍然發(fā)生了顯著的變形（如下圖所示）。通過對循環(huán)后的電池進行分析發(fā)現(xiàn)，大部分電池的電芯變形都發(fā)生在正極極耳與中心針的之間的位置，這表明可能是正極極耳的存在引起了電芯結構的不均勻性，導致了循環(huán)過程中電芯形變的產(chǎn)生。

為了分析電芯內部變形與電池循環(huán)壽命衰降的因素，A.Pfrang對93、98、133和138號四只電池進行了分析，四只電池都在70-90%SoC之間進行循環(huán)（1C、33攝氏度），其中133號電池在循環(huán)過程中容量損失速度要略高于98和135號電池，并在壽命的末期發(fā)生了突然的容量跳水現(xiàn)象，而93號電池則在整個循環(huán)過程中容量衰降速度都非常快，通過對比幾只電池的CT圖像能夠看到，93和133號電池的電芯在循環(huán)后都發(fā)生了非常明顯的變形，而循環(huán)性能較好的98和135號電池電芯沒有發(fā)生明顯的形變。

下圖對比了三只衰降速度比較快的電池的電芯形變情況，其中1號和59號電池的放電深度為100%DOD，SoC中值為50%，133號電池放電深度為20%DOD，SoC中值為80%。我們在所有可逆容量衰降嚴重的電池中都發(fā)現(xiàn)了非常顯著的變形，而且我們從圖中能夠看到幾乎所有的形變都發(fā)生在正極極耳到電池中心這一范圍內，這主要是因為正極極耳的存在引起了電芯內部結構的不均勻，因此在電芯內部產(chǎn)生應力時更容易產(chǎn)生變形。

電芯在循環(huán)過程中產(chǎn)生的變形會在正極上產(chǎn)生非常大的曲率，導致正極活性物質與Al箔剝離，通過對循環(huán)后的電池解剖發(fā)現(xiàn)，在這些曲率非常大的位置出現(xiàn)了正極活性物質剝落的現(xiàn)象（如下圖右所示），這也是造成鋰離子電池循環(huán)過程中可逆容量損失的重要因素。

A.Pfrang通過CT掃描發(fā)現(xiàn)，即便是在電芯中央存在中心針的情況下（一般我們認為中心針的存在能夠有效的避免電芯變形），經(jīng)過長期循環(huán)后我們仍然能夠在電芯中發(fā)現(xiàn)明顯的變形，特別是在循環(huán)衰降速度更快的電池，這種變形更加明顯。對比這些形變出現(xiàn)的位置可以發(fā)現(xiàn)，大部分形變都出現(xiàn)在正極極耳到電芯中間的位置，這可能是因為正極極耳的存在導致電芯結構的不均勻性，從而引入了額外的應力，導致此處更容易發(fā)生變形。通過解剖發(fā)現(xiàn)，在變形較大的位置，正極活性物質與Al箔集流體發(fā)生了剝離現(xiàn)象，引起活性物質的損失，這也是引起鋰離子電池可逆容量損失的重要因素。CT技術的應用讓我們對鋰離子電池在循環(huán)過程中的容量損失原因有了更準確的認識，對持續(xù)提升電池性能具有重要的意義。