挤压导致锂离子电池失效机理

电动汽车在发生事变时或者会导致动力电池包受到挤压，进而导致动力电池变形，在严重的情形下动力电池变形会引起内部极片段裂和隔阂失效，进而激发电池内短路，引起热失控，威胁到电动汽车使用者的生命和产业平安。

（自媒体www.jj00.com）

近日，美国橡树岭国度实验室的XiaoqingZhu（第一作者）和HsinWang（通信作者）等人对锂离子电池在分歧的挤压模式下的失效机理进行了剖析，研究表明挤压过程中发生的剪切力导致的电极损坏是引起锂离子电池失效的首要原因。

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在该研究中作者总计设计了四组实验，实验分组如下表所示，个中1组为对照组，离别测试了分歧直径的压头（如下图b所示）对挤压测试的影响，实验中当电池电压下降0.1V以上时，压头即会住手动作或回到初始位置，实验之前离别将电池的SoC状况调整至0%、20%、40%、60%、80%和100%。

（本文来自www.jj00.com）

为了尽或者的减小发生短路的面积，在挤压的过程中一旦电池的电压下降，，则马上住手挤压，是以电池并没有因为内短路而引起电池热失控。下图a-d展示了两个500mAh电池典型的挤压测试究竟，个中一只电池发生了部门内短路，此外一只发生了完全内短路，从下图a能够看到部门短路的电池在短路发生后电池电压仅仅降低了0.3V，随后电压快速恢复，同时电池的温度从24.5℃升高到28.1℃，在随后的不乱过程中电池电压温度在了3.71V，电池温度稍微升高后迟缓下降，电池最高温度为30.25℃。

而发生完全短路的电池在内短路发生后电池电压敏捷下降到了2.8V，压力除去后电池电压恢复到了3.5V，然则电池并没有住手放电，电池电压仍然迟缓下降，而且在电压恢复后的20min电压再次下降到0V，同时电池的温度在短路发生的短时间内升高到了59.6℃，整个过程中电池最高温度达到了62.8℃。

下图e-f为500mAh、1500mAh和2000mAh的电池在挤压测试中的电压、温度和压力的转变曲线，从图中可以看到分歧容量的电池在挤压测试中的回响也不完全一般。以电池的电压为例，对于500mAh的电池在内短路发生后，电池电压快速下降到了0V，而且电池的温度也达到了84℃，随后电池温度起头快速降低，对于1500mAh的电池在短路发生后电压快速降低，然则随后电压恢复到了50%的初始值，电池温度在较长的时间内维持在90℃四周，表明电池内部内短路仍然存在，电池持续经由短路电池发生放电。对于2000mAh的电池在内短路发生后电池电压快速下降，随后电压恢复到了90%的初始值，然则电池的温度并不是稀奇高，这表明2000mAh的电池内部损坏的水平相对对照低。

为了剖析挤压对于电池内部构造的损坏水平，作者采用X射线断层扫描手艺对于电池内部构造进行了剖析，在剖析究竟中石墨为黑色，铜箔为白色，正极材料为亮灰色，铝箔为深灰色。从下图b能够看到在压坑的底部位置，铜箔发生了碎裂，同时我们可以发现正极也发生了断裂，而且断裂线呈现45度，表明正极的断裂是受到剪切力的影响。在挤压的过程中正负极在45度失效线四周发生短路，然则随后电池的电压恢复，这表明在压力消弭后隔阂快速恢复，阻止了严重的短路。

为了剖析在挤压过程中电池内部构造的转变过程，作者离别测试了分歧挤压水平电池的构造转变（如下图所示），从下图a能够看到在刚起头的时候只有最上面的四层受到了影响，从下图b能够看到跟着挤压的深入，电极活性物质涂层受到挤压，跟着活性物质的压实密度的增加，电极层之间的距离也在减小。从下图c能够看到进一步提拔挤压量，则铜箔起头破碎，鄙人图d中铜箔的破碎变的加倍严重，在更大的局限内起头显现集流体的破碎，最后因为电极的严重变形最终导致了隔阂的失效，引起电池内短路的发生。

下图为分歧直径的挤压头对电池进行挤压测试的究竟，从下图e能够看到电池在挤压测试中的最高温度与挤压头的直径之间关系不显着，具有很强的随机性，从下图e-g能够看到5、6、8mm的挤压头的直径对电池造成的损坏是非常相似的，然则直径12mm的挤压头对电池造成的损坏却显着要更为严重（如下图h所示）。

下图是分歧SoC状况下电池的挤压测试究竟，下图b、e和h是电池在内短路发生后电池的电压恢复能力，对于1500mAh和2000mAh的电池跟着SoC的升高，电池的电压恢复能力也在提高，2000mAh电池在100%SoC时电池恢复电压倏忽下降。电池在内短路发生时往往陪伴着电池温度的升高，从下图c和f能够看到跟着电池SoC的升高，电池温度在40℃以上的时间也显著增加，这首要是因为在同样的短路点阻抗的情形下，高SoC电池的放电时间会更长，从而使得电池在高温局限内停留的时间更长。

XiaoqingZhu的研究表明单体电池在挤压测试中行为具有必然的随机性，是以不克简洁的采用挤压测试的电压、温度等数据剖析电池的平安性，而是需要借助数据库和模型的方式剖析电池的平安性。XCT剖析表明挤压过程中发生的剪切力对于电极和集流体的损坏和隔阂失效是导致电池发生内短路失效的首要原因。

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Internalshortcircuitandfailuremechanismsoflithium-ionpouchcellsundermechanicalindentationabuseconditions:Anexperimentalstudy,JournalofPowerSources455(2020)227939,XiaoqingZhu,HsinWang,XueWang,YanfeiGao,SrikanthAllu,ErcanCakmak,ZhenpoWang

文/凭栏眺