鋼芯對18650電池內短路探測結構的影響

內短路是鋰電池最為嚴重的安全事故，一旦鋰電池發生內短路則會在短路點附近短時間內萌生大量的熱量，從而引發連鎖反應，最終導致鋰電池發生熱失控。機械濫用探測是檢驗鋰電池在內短路安全性的有效辦法，而擠壓探測和針刺探測是模擬鋰電池發生內短路的常用辦法。

美國桑迪亞國家試驗室的JoshuaLamb（第一作者，通訊作者）采用鈍頭細桿擠壓的方式觸發鋰電池發生內短路，這種辦法只會造成電池最外幾層的電極發生短路，而不會對鋰電池造成嚴重的損害，研究發現圓柱形鋰電池中間的支撐鋼芯對于鋰電池的內短路行為有著緊要的影響。

常規的針刺探測會在短時間內穿透多層電極，造成大面積的短路，而常規擠壓探測雖然能夠引起局部發生短路，但是會對鋰電池的結構造成巨大的破壞，因此這兩種傳統的內短路模擬辦法都不能很好的對鋰電池內短路行為進行還原。作者在這里采用了由美國保險協會和NASA共同開發的一種鈍頭細桿擠壓的辦法對鋰電池進行探測，這種辦法能夠使得鋰電池發生內短路，但是又不會導致鋰電池發生嚴重的損壞，因此能夠更好的模擬鋰電池發生內短路的情況。

試驗中作者作者共采用三種電池，一款來自LG的ICR18650 S3電池，容量為2200mAh，一款來自松下的CGR18650CG電池，容量2200mAh，一款來自AA移動電源公司的軟包電池，容量3000mAh。其中兩款18650電池的CT掃描結構如下所示，從圖中能夠看到兩者之間主要差別體今朝松下公司的18650電池中間存在鋼芯，對電池起到支撐作用。

試驗中采用的鈍頭細桿結構如下圖所示，細桿的直徑為3mm，擠壓的速度2mm/min，直到電池的電壓下降100mV擠壓停止，擠壓的方向分別設置為水平擠壓和垂直擠壓。

下圖為在垂直方向上對LG的18650電池進行擠壓探測，從圖中能夠看到在擠壓開始的時候并沒有對電池的電壓和溫度萌生顯著的影響，直到擠壓的深度達到了10.7mm，電池猛然發生硬短路，電池電壓猛然降低，隨后電池溫度急劇升高，最高達到470℃，電池發生熱失控，CT掃描發現電池內部存在Al顆粒，聲明熱失控時電池內部的溫度超過了660℃。

如果我們將擠壓的方向從垂直方向變為水平方向（如下圖所示），我們能夠發現當擠壓量為5.4mm時，電池猛然發生硬短路，隨后電池溫度持續升高，最高達到455℃，電池發生熱失控。

在針對LG的電池擠壓探測中作者還發現了少數（<25%）的電池并沒有筆直發生硬短路，而是發生了軟短路（如下圖所示），當擠壓量到5.7mm時，電池電壓猛然下降到1.6V左右，電池溫度最高升高到了95℃，但是當擠壓力解除以后電池的電壓又恢復到了3.1V，聲明短路點的阻抗比較大，同時我們從CT掃描圖能夠看到電池中心由于沒有支撐，因此電芯向內發生了嚴重的變形，因此這可能吸收了一部分擠壓力，從而避免了電池發生硬短路。

下圖為松下18650電池在水平方向上的擠壓探測結果，從圖中能夠看到該電池在擠壓量達到4.1mm時發生了猛然的硬短路，電池迅速下降為0，電池溫度快速升高，最高達到了600℃，比LG的電池高出150℃左右，這主要是因為松下的18650電池采用了熱穩定性較差的LiCoO2材料，而LG的電池則采用了混合金屬氧化物材料（詳盡成分未知）。松下電池發生短路的變形量比較小主要是因為電池中心支撐鋼芯的存在限制了電極向內塌縮，因此更小的變形就引起了電池內短路。

為了驗證這種鈍頭細桿擠壓探測的效果，作者采用傳統的針刺試驗對鋰電池進行了探測，從圖中能夠看到無論是電壓變化，還是溫度升高曲線，兩者都非常接近，但是LG電池在針刺探測中電池的溫度會更高（662℃），這也聲明鋰電池在安全探測中的表現不僅僅與電池選擇的材料體系有關，也與選擇的探測辦法有關。

下圖為LG和松下的18650電池在水平方向上采用鈍頭細桿擠壓的電池溫度和電壓變化曲線，探測時的環境溫度為60℃，從圖中能夠看到LG的電池表現出一個相對溫柔，電池最高溫度僅為110℃左右，并且隨著壓力去掉后，電池的電壓出現了分明的回升，這可能是由于在60℃較高的溫度下，電池內部材料的機械特性出現了分明的變化，特別是隔膜更容易受到溫度的影響，而LG的電池中間沒有鋼芯支撐，因此電芯能夠通過向內塌縮的方式吸收部分形變，從而使得硬短路轉變為軟短路。

相比之下，松下電池在鈍頭細桿擠壓探測中表現的熱失控行為更加劇烈，擠壓中電池電壓猛然降低到0V，電池溫度快速升高，最高溫度達到了350℃左右，這一方面與其電芯中間存在鋼芯限制了電芯向內塌縮變形，從而使得電池短路更為嚴重，另一方面也與松下的18650電池采用了熱穩定性比較差的LiCoO2材料有關。

通過上述在60℃環境下的鈍頭細桿擠壓探測能夠發現，高溫下進行探測的結果與常溫下進行探測的結果存在分明的區別，對于LG的電池，高溫使得熱失控的劇烈程度分明降低，而松下的電池則更快的發生了內短路。

擠壓導致鋰電池內短路的機理是擠壓過程中對隔膜的破壞，因此鋰電池結構對于擠壓探測的結果有很大的影響，特別是在高溫下，隔膜的強度降低，對于沒有鋼芯的電池而言，隔膜變軟能夠承受更大的變形，從而將內短路的劇烈程度降低，而對于有鋼芯的電池而言，擠壓時電芯變形的空間很小，因此高溫下電池隔膜強度降低時，抗擠壓的能力顯著減弱，因此反而會導致內短路的劇烈程度增加。

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