"\u003Cdiv\u003E\u003Cp\u003E內短路是鋰離子電池最爲嚴重的安全事故，一旦鋰離子電池發生內短路則會在短路點附近短時間內產生大量的熱量，從而引發連鎖反應，最終導致鋰離子電池發生熱失控。機械濫用測試是檢驗鋰離子電池在內短路安全性的有效方法，而擠壓測試和針刺測試是模擬鋰離子電池發生內短路的常用方法。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E\u003Cstrong\u003E美國桑迪亞國家實驗室的Joshua Lamb（第一作者，通訊作者）採用鈍頭細杆擠壓的方式觸發鋰離子電池發生內短路，這種方法只會造成電池最外幾層的電極發生短路，而不會對鋰離子電池造成嚴重的損害，研究發現圓柱形鋰離子電池中間的支撐鋼芯對於鋰離子電池的內短路行爲有着重要的影響。\u003C\u002Fstrong\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E常規的針刺測試會在短時間內穿透多層電極，造成大面積的短路，而常規擠壓測試雖然能夠引起局部發生短路，但是會對鋰離子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方法都不能很好的對鋰離子電池內短路行爲進行還原。作者在這裏採用了由美國保險協會和NASA共同開發的一種鈍頭細杆擠壓的方法對鋰離子電池進行測試，這種方法能夠使得鋰離子電池發生內短路，但是又不會導致鋰離子電池發生嚴重的損壞，因此能夠更好的模擬鋰離子電池發生內短路的情況。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E實驗中作者作者共採用三種電池，一款來自LG的ICR18650 S3電池，容量爲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現在松下公司的18650電池中間存在鋼芯，對電池起到支撐作用。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cdiv class=\"pgc-img\"\u003E\u003Cimg src=\"http:\u002F\u002Fp3.pstatp.com\u002Flarge\u002Fpgc-image\u002F6ec4cc0b9eb9495f941b0a1359949816\" img_width=\"432\" img_height=\"672\" alt=\"鋼芯對18650電池內短路測試結構的影響\" inline=\"0\"\u003E\u003Cp class=\"pgc-img-caption\"\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003C\u002Fdiv\u003E\u003Cp\u003E實驗中採用的鈍頭細杆結構如下圖所示，細杆的直徑爲3mm，擠壓的速度2mm\u002Fmin，直到電池的電壓下降100mV擠壓停止，擠壓的方向分別設置爲水平擠壓和垂直擠壓。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cdiv class=\"pgc-img\"\u003E\u003Cimg src=\"http:\u002F\u002Fp3.pstatp.com\u002Flarge\u002Fpgc-image\u002Fe0600eac5b5940098efeb8507a3f11e5\" img_width=\"933\" img_height=\"378\" alt=\"鋼芯對18650電池內短路測試結構的影響\" inline=\"0\"\u003E\u003Cp class=\"pgc-img-caption\"\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003C\u002Fdiv\u003E\u003Cp\u003E下圖爲在垂直方向上對LG的18650電池進行擠壓測試，從圖中能夠看到在擠壓開始的時候並沒有對電池的電壓和溫度產生顯著的影響，直到擠壓的深度達到了10.7mm，電池突然發生硬短路，電池電壓突然降低，隨後電池溫度急劇升高，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，表明熱失控時電池內部的溫度超過了660℃。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cdiv class=\"pgc-img\"\u003E\u003Cimg src=\"http:\u002F\u002Fp3.pstatp.com\u002Flarge\u002Fpgc-image\u002F4e9a9d6123ef43c8afc484fe003b521a\" img_width=\"1040\" img_height=\"504\" alt=\"鋼芯對18650電池內短路測試結構的影響\" inline=\"0\"\u003E\u003Cp class=\"pgc-img-caption\"\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003C\u002Fdiv\u003E\u003Cp\u003E如果我們將擠壓的方向從垂直方向變爲水平方向（如下圖所示），我們能夠發現當擠壓量爲5.4mm時，電池突然發生硬短路，隨後電池溫度繼續升高，最高達到455℃，電池發生熱失控。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cdiv class=\"pgc-img\"\u003E\u003Cimg src=\"http:\u002F\u002Fp1.pstatp.com\u002Flarge\u002Fpgc-image\u002Fa5c42211a5b14b389630676203dbeddd\" img_width=\"435\" img_height=\"360\" alt=\"鋼芯對18650電池內短路測試結構的影響\" inline=\"0\"\u003E\u003Cp class=\"pgc-img-caption\"\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003C\u002Fdiv\u003E\u003Cdiv class=\"pgc-img\"\u003E\u003Cimg src=\"http:\u002F\u002Fp9.pstatp.com\u002Flarge\u002Fpgc-image\u002F869db3bb81454fcf8332d2d7ae579760\" img_width=\"714\" img_height=\"192\" alt=\"鋼芯對18650電池內短路測試結構的影響\" inline=\"0\"\u003E\u003Cp class=\"pgc-img-caption\"\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003C\u002Fdiv\u003E\u003Cp\u003E在針對LG的電池擠壓測試中作者還發現了少數（<25%）的電池並沒有直接發生硬短路，而是發生了軟短路（如下圖所示），當擠壓量到5.7mm時，電池電壓突然下降到1.6V左右，電池溫度最高升高到了95℃，但是當擠壓力解除以後電池的電壓又恢復到了3.1V，表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於沒有支撐，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。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cdiv class=\"pgc-img\"\u003E\u003Cimg src=\"http:\u002F\u002Fp1.pstatp.com\u002Flarge\u002Fpgc-image\u002Ffdeb511522e84ac4a465e6e481691262\" img_width=\"968\" img_height=\"435\" alt=\"鋼芯對18650電池內短路測試結構的影響\" inline=\"0\"\u003E\u003Cp class=\"pgc-img-caption\"\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003C\u002Fdiv\u003E\u003Cp\u003E下圖爲松下18650電池在水平方向上的擠壓測試結果，從圖中能夠看到該電池在擠壓量達到4.1mm時發生了突然的硬短路，電池迅速下降爲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，這主要是因爲松下的18650電池採用了熱穩定性較差的LiCoO2材料，而LG的電池則採用了混合金屬氧化物材料（具體成分未知）。松下電池發生短路的變形量比較小主要是因爲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。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cdiv class=\"pgc-img\"\u003E\u003Cimg src=\"http:\u002F\u002Fp1.pstatp.com\u002Flarge\u002Fpgc-image\u002F9c3d3bfa4841472fbeba5c72042e6545\" img_width=\"1049\" img_height=\"460\" alt=\"鋼芯對18650電池內短路測試結構的影響\" inline=\"0\"\u003E\u003Cp class=\"pgc-img-caption\"\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003C\u002Fdiv\u003E\u003Cp\u003E爲了驗證這種鈍頭細杆擠壓測試的效果，作者採用傳統的針刺實驗對鋰離子電池進行了測試，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電池在針刺測試中電池的溫度會更高（662℃），這也表明鋰離子電池在安全測試中的表現不僅僅與電池選擇的材料體系有關，也與選擇的測試方法有關。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cdiv class=\"pgc-img\"\u003E\u003Cimg src=\"http:\u002F\u002Fp1.pstatp.com\u002Flarge\u002Fpgc-image\u002F80eb4999a1ed417cbd53b979dc00ccf6\" img_width=\"951\" img_height=\"426\" alt=\"鋼芯對18650電池內短路測試結構的影響\" inline=\"0\"\u003E\u003Cp class=\"pgc-img-caption\"\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003C\u002Fdiv\u003E\u003Cp\u003E下圖爲LG和松下的18650電池在水平方向上採用鈍頭細杆擠壓的電池溫度和電壓變化曲線，測試時的環境溫度爲60℃，從圖中能夠看到LG的電池表現出一個相對溫和，電池最高溫度僅爲110℃左右，並且隨着壓力去掉後，電池的電壓出現了明顯的回升，這可能是由於在60℃較高的溫度下，電池內部材料的機械特性出現了明顯的變化，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爲軟短路。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E相比之下，松下電池在鈍頭細杆擠壓測試中表現的熱失控行爲更加劇烈，擠壓中電池電壓突然降低到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爲嚴重，另一方面也與松下的18650電池採用了熱穩定性比較差的LiCoO2材料有關。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E通過上述在60℃環境下的鈍頭細杆擠壓測試能夠發現，高溫下進行測試的結果與常溫下進行測試的結果存在明顯的區別，對於LG的電池，高溫使得熱失控的劇烈程度明顯降低，而松下的電池則更快的發生了內短路。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cdiv class=\"pgc-img\"\u003E\u003Cimg src=\"http:\u002F\u002Fp3.pstatp.com\u002Flarge\u002Fpgc-image\u002F7e24cd9c34d84f98bf3346b54a17d7f0\" img_width=\"1033\" img_height=\"447\" alt=\"鋼芯對18650電池內短路測試結構的影響\" inline=\"0\"\u003E\u003Cp class=\"pgc-img-caption\"\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003C\u002Fdiv\u003E\u003Cp\u003E擠壓導致鋰離子電池內短路的機理是擠壓過程中對隔膜的破壞，因此鋰離子電池結構對於擠壓測試的結果有很大的影響，特別是在高溫下，隔膜的強度降低，對於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，而對於有鋼芯的電池而言，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。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E本文主要參考以下文獻，文章僅用於對相關科學作品的介紹和評論，以及課堂教學和科學研究，不得作爲商業用途。如有任何版權問題，請隨時與我們聯繫。\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003EEvaluation of mechanical abuse techniques in lithium ion batteries, \u003Cem\u003EJournal of Power Sources 247 (2014) 189-196\u003C\u002Fem\u003E, \u003Cstrong\u003EJoshua Lamb, Christopher J. Orendorff\u003C\u002Fstrong\u003E\u003C\u002Fp\u003E\u003Cp\u003E文\u002F憑欄眺\u003C\u002Fp\u003E\u003C\u002Fdiv\u003E"'.slice(6, -6), groupId: '6720368829077127694