背景

4680圆柱电池是特斯拉引领的新一代锂电技术，凭借更大尺寸（直径46mm、高度80mm）实现能量密度、功率及成本优化，正重塑动力电池市场格局。特斯拉已实现量产装车，宝马、通用等主流车企纷纷规划，推动全球产能扩张。宁德时代、松下、LG新能源等头部电池企业加速布局，产业链日趋成熟。

作为大尺寸圆柱电芯，其内部卷芯中心到外壳的距离更长，热量更难散出。在快充或高倍率放电时，内部电化学反应产生的高热量若不能及时疏导，会加剧材料形变和不均匀的副反应，导致电芯内压升高和物理膨胀。为实现更高的能量密度，4680电芯多采用高能量活性材料，如高镍三元正极材料和硅基负极材料。硅在充放电过程中体积变化可高达300%，是导致负极膨胀的直接原因。而实际电芯膨胀到底多少呢？

为此，元能科技（厦门）有限公司开发了圆柱电芯膨胀系统（点击文章尾部阅读全文查看产品详情）。其采用光学方案，并结合相应算法，实现对圆柱电芯膨胀的精准监测。本方法可以原位监测圆柱电芯充放电过程直径（体积）变化，同时也能表征圆柱电芯各区域的膨胀分布情况。

实验部分

选取一款NCM811/SiC体系的4680电芯，设置充放电工步（1C恒流恒压/1C恒流放电）。原位监测电芯膨胀，其直径和体积变化被精准捕捉，如图1所示。整体呈现充电体积膨胀增大，满充时体积膨胀约0.14%，放电时体积收缩，这与正负极材料充放电时相变相关。在充电后期和放电初期也有明显的高镍三元材料的M型膨胀特征峰（参考之前的公众号文章链接）。放电后期体积增大，可能与大圆柱电芯在放电阶段电芯内部热效应累积有关。

图1. 4680圆柱电芯充放电过程中体积变化

本次监测的范围为距电芯顶端（正极）4mm处开始往下70mm区域，如下图2所示。把监测区域划分为80层，随机选取观测角度45°时（相对于初始位置），可以明显看出电芯纵向不仅初始分布不均，并且随充电进行，膨胀亦是呈现不均匀分布。以0%SOC为基准，满充(100%SOC）分布呈现中间位膨胀大于两端，这可能与电芯头尾两端受钢壳的束缚强度大于中间有关联。这能为圆柱外壳优化结构设计提供直接依据。

图2. 4680圆柱电芯充放电过程中径向直径变化

小结

对4680圆柱电池膨胀行为的原位精准表征，已成为技术迭代的关键。它不仅助力硅碳负极的高膨胀体系开发，优化材料配方，也能为圆柱电池的钢壳工艺改进、结构加强设计提供实证数据，从根源上提升电芯的循环寿命与安全边界，推动大圆柱电池技术的成熟与落地。