鋰電池在擠壓探測中電芯結構變化

為了保證鋰電池的安全性，我們引入了眾多的考驗鋰電池安全性的探測辦法，例如針刺、擠壓、短路和過充、過放等，用以模擬鋰電池在實際使用過程中可能面臨的機械、電濫用的情況。關于這些安全探測的研究報道很多，但是關注鋰電池在這些探測中電池結構變化的研究卻很少，這主要是因為在引起鋰電池內短路的安全探測中，往往會引發熱失控，導致短路點局部的電極、隔膜等發生融化，破壞短路瞬間的電池結構。即便是沒有發生熱失控，在擠壓等外力釋放后，電芯也會發生回彈，破壞短路時電芯的結構特點，這導致了對鋰電池在安全探測過程中的結構研究比較困難。

美國橡樹嶺國家試驗室的Hsin Wang等利用低荷電態下的方形鋁殼鋰電池研究了在擠壓探測中電池結構的變化。較低的SoC能夠避免在鋰電池發生內短路時引起熱失控，而Al殼則能夠保證在外力消失后電池依然能夠保持原來形狀。

試驗過程如下圖所示，電池產熱和電壓突變用以標志鋰電池內短路的發生，然后上下擠壓球會回到初始位置，試驗顯示電池在厚度方向上的形變至少要達到60%以上內短路才會發生。短路后的電池被從中間位置切開，用光學顯微鏡觀察橫截面的結構。

下圖為0.25、0.5、1、2和3尺寸的擠壓球造成的電池內短路的橫截面照片，從這些圖片中我們可以看到：

1）集流體撕裂：短路處的集流體不連續，表面在擠壓的過程中發生了集流體的撕裂和斷裂。

2）多層集流體斷裂：在剪切力的作用上電芯發生了多層集流體的斷裂，并呈現出角度為45度左右的斷裂線。

3）電極層紐結：多層電極之間相互紐結。

4）局部熔化（圖e）

下圖為0.25的擠壓球引起的電池結構變化的圖片，從圖上可以看到擠壓點周圍的集流體已經破裂為碎片狀，呈現出放射狀分布。圖b和圖c可以看到在電芯的邊緣有多層電極的紐結，聲明在機械濫用的情況下會在電芯的邊緣發生失效，這也是電池發生內短路的常見模式。

下圖為0.5擠壓球對鋰電池造成的結構破壞，擠壓球更小的曲度，使得其對電池的破壞也更加平均。但是剪切力依然是造成電芯結構破壞的主要原由，在電芯中能夠看到一條45度左右的破壞線。

下圖為半徑為1的擠壓球對電池造成的結構破壞，電芯內依然有一條跨過多層電極的破壞線，活性物質與集流體發生分離，集流體碎片沿著破壞線發生了滑移，進入到了破壞線的內部。

下圖為2的擠壓球造成的電池結構破壞，可以看到電芯內部沒有45度的破壞線。

下圖為3擠壓球造成的電池結構破壞，可以看到電極撕裂和剪切力對電極的破壞又成為造成電池結構破壞的主要原由。

依據上述結果，Hsin Wang認為在擠壓過程中電池的形變可以分為以下幾步。

1）初期對電芯平均的擠壓：電極變形主要取決于每層電極的柔順程度，電極位移非常平均，主要取決于擠壓球的形狀和電芯的各向異性。

2）失效：隨著壓力的不斷增大，最終超過電芯的強度，引起局部失效。局部失效的模式目前還不清楚，一種可能的因素是電芯的剪切強度低，因此在剪切力的作用下電芯被破壞，并將集流體撕裂。

3）材料的滑移和內部重組：在電芯失效線附近的電極材料可能會沿著失效線滑移，并進入到失效線內部，從而釋放部分壓力。

4）隔膜失效：由于電芯變形對隔膜形成的拉伸和扭轉，最終使的隔膜達到失效點，導致短路的發生。

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