上兩期討論了工藝過(guò)程對(duì)電池安全性的影響，其實(shí)主要還是要加強(qiáng)原材料進(jìn)檢和生產(chǎn)過(guò)程的管理。本期將從安全測(cè)試入手，去探討安全失效的相關(guān)模式。

1、 短路

外短路：對(duì)于國(guó)標(biāo)測(cè)試而言，外短路對(duì)應(yīng)的測(cè)試為電池滿電進(jìn)行測(cè)試，外部?jī)?nèi)阻小于5mΩ，短路時(shí)間10min，觀察1h，要求電池不起火、不爆炸。更為嚴(yán)苛的是IEC62133標(biāo)準(zhǔn)里對(duì)外部短路的要求，需要在55℃下進(jìn)行，這無(wú)疑增加了難度。失效機(jī)理也很好理解，當(dāng)外部短路發(fā)生時(shí)，瞬間產(chǎn)生大電流通過(guò)電池內(nèi)部，溫度急劇升高，電解液分解產(chǎn)生大量氣體，電池內(nèi)部壓力增大，最終導(dǎo)致爆噴或者起火、爆炸，電池失效。

如何去降低外部短路發(fā)生時(shí)電池失效的幾率呢？對(duì)于金屬外殼的電池而言，可以通過(guò)防爆閥、電池蓋上的FUSE等安全措施來(lái)避免電池的失效，但仍需要大量的實(shí)驗(yàn)去探究電池失效發(fā)生的條件和邊界。

內(nèi)部短路：對(duì)于國(guó)標(biāo)而言，內(nèi)部短路對(duì)應(yīng)的測(cè)試為針刺和擠壓，但隨著能量密度的提高，針刺基本上大家都過(guò)不了，所以就取消了，不過(guò)在一些國(guó)際上的標(biāo)準(zhǔn)仍然是有要求的。擠壓一般通過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)就是電池的形變量或者是電池受力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)就可以了。目前認(rèn)為的失效機(jī)理為電池內(nèi)部短路導(dǎo)致內(nèi)部正負(fù)極直接接觸，瞬間產(chǎn)生大量的熱，引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，最終導(dǎo)致失效，涉及到多個(gè)反應(yīng)，具體哪個(gè)階段對(duì)應(yīng)的是哪個(gè)反應(yīng)還很難去解釋，實(shí)際測(cè)試過(guò)程中也很難去模擬實(shí)際情況。

國(guó)外也有專門的研究機(jī)構(gòu)對(duì)內(nèi)短路進(jìn)行了模擬，得出正極鋁箔和負(fù)極活性材料直接的短路時(shí)造成熱失效的主要原因。那么，怎么去降低內(nèi)短路發(fā)生的概率呢？這個(gè)就需要從原材料、過(guò)程工藝、檢測(cè)手段等等多方面去控制。原材料以及過(guò)程工藝方面之前已經(jīng)專題講過(guò)，在此不在重復(fù)，檢測(cè)是貫穿整個(gè)電池的制造過(guò)程的，如何從早期就能篩選出具有內(nèi)短風(fēng)險(xiǎn)的電池呢？這就需要一些高精度的設(shè)備，能敏感的檢測(cè)出電池內(nèi)部的雜質(zhì)、顆粒，以及對(duì)此造成的電池的電性能的下降等等，包括每一步的耐壓絕緣測(cè)試、電池制作完成后的老化測(cè)試、內(nèi)部缺陷的高精度電化學(xué)檢測(cè)等等，都能降低動(dòng)力電池發(fā)生內(nèi)短的風(fēng)險(xiǎn)。

2、加熱

對(duì)于國(guó)標(biāo)而言，加熱實(shí)際上是電池置于一定的溫度中保存一段時(shí)間，最終不會(huì)發(fā)生失效的能力。

對(duì)于不同組分而言，其熱失效的溫度是不一樣的，對(duì)于SEI膜而言，溫度高于130℃就開(kāi)始逐步分解了。

不同的正極材料具有不同的熱穩(wěn)定性，高鎳材料的熱穩(wěn)定性在200℃左右，隨著溫度的升高，正極材料開(kāi)始分解，釋氧，進(jìn)一步加劇了失效的發(fā)生。

對(duì)于電解液，隨著溫度的升高，也是逐步發(fā)生反應(yīng)。

因而，對(duì)于加熱這個(gè)失效而言，改善的思路有兩個(gè)，一個(gè)是從原材料端去解決這個(gè)問(wèn)題，例如提高正負(fù)極材料的熱穩(wěn)定性，提高電解液的分解溫度，改善成膜添加劑等等，另一方面需要從使用端去解決這個(gè)問(wèn)題，例如提供良好的散熱路徑和通道，規(guī)定電池使用的最大電流和溫度范圍，整包采用液冷系統(tǒng)等等，都可以顯著的降低電池發(fā)生熱失效的概率。

2、 過(guò)充

過(guò)充對(duì)應(yīng)的國(guó)標(biāo)是逐年在降低的，先從2倍上限電壓降低到1.5倍，后續(xù)據(jù)悉要降低到1.2倍，也從側(cè)面反映了高能量密度電芯過(guò)這項(xiàng)測(cè)試的難易程度。其失效機(jī)理為充到一定程度，電解液分解產(chǎn)氣、負(fù)極表面析鋰、隔膜熱收縮等等反映引發(fā)的內(nèi)部短路，進(jìn)而引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，造成熱失效，最終電池起火爆炸。

那么，如何有效的降低電池發(fā)生過(guò)充時(shí)候的風(fēng)險(xiǎn)呢？實(shí)際上也是需要從材料、設(shè)計(jì)、使用等幾個(gè)方面去完成這個(gè)事情。原材料端，對(duì)材料進(jìn)行包覆摻雜，提高原材料的熱穩(wěn)定性，使用不燃電解液、防過(guò)充添加劑等等，在設(shè)計(jì)端，電池蓋上的防爆閥設(shè)計(jì)、反轉(zhuǎn)閥設(shè)計(jì)等等，使用端，BMS采樣精度的控制，及時(shí)報(bào)警等等，都可以有效的降低過(guò)充發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

小結(jié)：

就幾個(gè)關(guān)鍵的安全性能測(cè)試進(jìn)行了簡(jiǎn)單的講解和概括，權(quán)當(dāng)拋磚引玉。其實(shí)任何一項(xiàng)測(cè)試都不能有效的模擬出電池在實(shí)際使用過(guò)程中的狀況，所以就需要更多的同仁們?nèi)プ龈嗟墓ぷ?，保證動(dòng)力電池的安全。至此，關(guān)于動(dòng)力電池的安全性設(shè)計(jì)就告于段落。下周將開(kāi)啟新的篇章，敬請(qǐng)期待。

參考文獻(xiàn)：

1、艾新平 鋰離子動(dòng)力電池的安全性問(wèn)題

2、葉佳娜等 絕熱條件下鋰離子電池的過(guò)充熱行為和失效機(jī)理

3、Gi-Heon 鋰離子電池內(nèi)短路模型的建立