安全第一，淺談鋰離子電池內短路模擬

來源：第一電網特約作者：平蘭俯瞰新能源領軍人物

動力電池的安全性是我們在使用過程中的首要考慮因素，因此我們在動力電池的評估指標中也建立了嚴格的安全評估體系，如擠壓、針刺、過充電、過放電和短路，以模擬鋰離子電池在實際使用中的濫用。在所有的安全問題中，有一個是最難模擬內部短路的。顧名思義，內部短路是指鋰離子電池中由于設計或制造缺陷而存在多余材料，或鋰枝晶，從而導致隔膜破壞和陽極與陰極之間短路。這是最危險的情況，因為此時整個電池的能量都是通過這個短路點釋放出來的（最多約70%的能量會在60s內釋放出來），所以這里的溫度在瞬間迅速上升，然后陽極和陰極的活性物質被觸發。

由于短路發生在鋰離子電池內部，因此很難通過外部作用模擬內部短路造成的損壞。例如，在常見的針灸實驗中，短路最初發生在一個點，但隨著針頭插入電池，電流密度大大降低，針頭會帶走短路產生的部分熱量。因此，與內部短路相比，針刺測試簡直“太溫和了”。

在擠壓試驗過程中，隨著電池變形的增加，隔膜發生機械故障，導致電池內部短路。然而，擠壓引起的短路點通常面積較大，或者多個點同時短路，因此擠壓試驗引起的短路電流與內部短路相比大大降低，因此擠壓實驗無法完美模擬鋰離子電池的內部短路。

由此可見，常見的安全測試方法并不能很好地模擬鋰離子電池的內部短路，或者評估標準不夠嚴格。從本質上講，鋰離子電池的短路是由電池芯中的過剩（尤其是導電過剩）引起的，無論是生產過程中引入的過剩，還是使用過程中產生的鋰枝晶。基于此，日本電池協會提出了一種模擬鋰離子電池內部短路的方法。取出電池芯后，將一小塊金屬放入電池芯中，然后將其放入電池殼中。最后，將電池放入擠壓設備中擠壓電池，直到發生內部短路。這種方法可以準確模擬鋰離子電池的內部短路，但由于需要拆解，在實際生產中很少用于評估電池。

其他可以模擬鋰離子電池短路的方法也需要在電池中引入多余的材料。例如，桑迪亞國家實驗室將Wood的金屬（金屬的熔點僅為70攝氏度）引入電池，美國可再生能源國家實驗室的NREL通過在電池中引入相變材料來模擬鋰離子電池的短路。一般來說，這些方法需要打開電池并引入多余的材料，因此在實際應用中缺乏可操作性。

為了解決實際問題，對美國橡樹嶺國家實驗室Wei Cai等人的傳統擠壓試驗參數進行了優化，使鋰離子電池的兩個電極之間可以產生直徑為1-2mm的短路點，并且可以通過調整實驗參數來產生具有不同尺寸的短路點。實驗方法如下圖所示。

Wei Cai等人提出的內部短路模擬方法的關鍵在于停止擠壓的時間。下圖顯示了當電池電壓分別降至1.0V（上圖）和3.0V（下圖）時停止擠壓的圖片。可以看出，當電池電壓降至1.0V時，孔洞被t燒穿……

隔膜明顯更大，而當電池電壓在3.0V時切斷時，隔膜燒穿的孔約為1-2mm，接近實際內部短路中短路點的大小。該方法的主要優點是可以在不損壞電池的情況下模擬鋰離子電池中的短路，大大提高了該方法的實用性。

為了更準確地模擬鋰離子電池內部短路的發生，人們開發了一種基于蠟的內部短路裝置。蠟的熔點很低，只有57℃左右，所以只需要將鋰離子電池加熱到很低的溫度，蠟融化后就可以誘發鋰離子電池內部短路。實驗表明，當電池被加熱到蠟的熔點時，鋰離子電池幾乎同時發生內部短路，電池溫度迅速上升。這種方法最大的優點是最大限度地恢復了鋰離子電池的真實內部短路，而且這種方法簡單易操作，而且在制造鋰離子電池時只需要在電池芯中添加設備，大大提高了這種方法的實用性。特別是在模擬電池組短路時，這種方法幾乎是目前唯一可行的模擬方法。

由于制造缺陷或設計缺陷，鋰離子電池中存在多余的材料和鋰枝晶，這是鋰離子電池內部短路的最常見原因。例如，波士頓波音787夢想客機的鋰離子電池起火，被認為是由于鋰離子電池在低溫下充電時形成鋰枝晶，從而導致內部短路。隨著電動汽車的普及，類似的安全事件還會繼續發生。如何從設計上減少鋰離子電池內部短路造成的損失是我們鋰離子電池設計者需要考慮的問題，因此對鋰離子電池的內部短路進行模擬就顯得尤為重要。基于以上介紹，小編認為蠟基內部短路設備（ISCD）是一種可行的方法，這種設備可以添加到鋰離子電池的生產過程中。鋰離子電池的內部短路只能通過在低溫下加熱來感應，因此它非常實用，尤其是在模擬電池組中電池的內部斷路時。這種方法幾乎是目前唯一可行的方法。

來源：第一電網特約作者：平瀾俯瞰新能源領軍人物

動力電池的安全性是我們在使用過程中的首要考慮因素，因此我們在動力電池的評估指標中也建立了嚴格的安全評估體系，如擠壓、針刺、過充電、過放電和短路，以模擬鋰離子電池在實際使用中的濫用。在所有的安全問題中，有一個是最難模擬內部短路的。顧名思義，內部短路是指鋰離子電池中由于設計或制造缺陷而存在多余材料，或鋰枝晶，從而導致隔膜破壞和陽極與陰極之間短路。這是最危險的情況，因為此時整個電池的能量都是通過這個短路點釋放出來的（最多約70%的能量會在60s內釋放出來），所以這里的溫度在瞬間迅速上升，然后陽極和陰極的活性物質被觸發。

由于短路發生在鋰離子電池內部，因此很難通過外部作用模擬內部短路造成的損壞。例如，在常見的針灸實驗中，短路最初發生在一個點，但隨著針頭插入電池，電流密度大大降低，針頭會帶走短路產生的部分熱量。因此，與內部短路相比，針刺測試簡直“太溫和了”。

在擠壓試驗過程中，隨著電池變形的增加，隔膜發生機械故障，導致電池內部短路。然而，擠壓發電機引起的短路點……

ly的面積較大，或者多個點同時短路，因此與內部短路相比，擠壓試驗引起的短路電流大大降低，因此擠壓試驗無法完美模擬鋰離子電池的內部短路。

由此可見，常見的安全測試方法并不能很好地模擬鋰離子電池的內部短路，或者評估標準不夠嚴格。從本質上講，鋰離子電池的短路是由電池芯中的過剩（尤其是導電過剩）引起的，無論是生產過程中引入的過剩，還是使用過程中產生的鋰枝晶。基于此，日本電池協會提出了一種模擬鋰離子電池內部短路的方法。取出電池芯后，將一小塊金屬放入電池芯中，然后將其放入電池殼中。最后，將電池放入擠壓設備中擠壓電池，直到發生內部短路。這種方法可以準確模擬鋰離子電池的內部短路，但由于需要拆解，在實際生產中很少用于評估電池。

其他可以模擬鋰離子電池短路的方法也需要在電池中引入多余的材料。例如，桑迪亞國家實驗室將Wood的金屬（金屬的熔點僅為70攝氏度）引入電池，美國可再生能源國家實驗室的NREL通過在電池中引入相變材料來模擬鋰離子電池的短路。一般來說，這些方法需要打開電池并引入多余的材料，因此在實際應用中缺乏可操作性。

為了解決實際問題，對美國橡樹嶺國家實驗室Wei Cai等人的傳統擠壓試驗參數進行了優化，使鋰離子電池的兩個電極之間可以產生直徑為1-2mm的短路點，并且可以通過調整實驗參數來產生具有不同尺寸的短路點。實驗方法如下圖所示。

Wei Cai等人提出的內部短路模擬方法的關鍵在于停止擠壓的時間。下圖顯示了當電池電壓分別降至1.0V（上圖）和3.0V（下圖）時停止擠壓的圖片。可以看出，當電池電壓降至1.0V時，隔膜燒穿的孔明顯更大，而當電池電壓在3.0V時被切斷時，隔膜燒穿的孔約為1-2mm，接近實際內部短路中短路點的大小。該方法的主要優點是可以在不損壞電池的情況下模擬鋰離子電池中的短路，大大提高了該方法的實用性。

為了更準確地模擬鋰離子電池內部短路的發生，人們開發了一種基于蠟的內部短路裝置。蠟的熔點很低，只有57℃左右，所以只需要將鋰離子電池加熱到很低的溫度，蠟融化后就可以誘發鋰離子電池內部短路。實驗表明，當電池被加熱到蠟的熔點時，鋰離子電池幾乎同時發生內部短路，電池溫度迅速上升。這種方法最大的優點是最大限度地恢復了鋰離子電池的真實內部短路，而且這種方法簡單易操作，而且在制造鋰離子電池時只需要在電池芯中添加設備，大大提高了這種方法的實用性。特別是在模擬電池組短路時，這種方法幾乎是目前唯一可行的模擬方法。

由于制造缺陷或設計缺陷，鋰離子電池中存在多余的材料和鋰枝晶，這是鋰離子電池內部短路的最常見原因。例如……

波士頓波音787夢想客機的鋰離子電池起火被認為是由于鋰離子電池在低溫下充電時形成鋰枝晶，從而導致內部短路。隨著電動汽車的普及，類似的安全事件還會繼續發生。如何從設計上減少鋰離子電池內部短路造成的損失是我們鋰離子電池設計者需要考慮的問題，因此對鋰離子電池的內部短路進行模擬就顯得尤為重要。基于以上介紹，小編認為蠟基內部短路設備（ISCD）是一種可行的方法，這種設備可以添加到鋰離子電池的生產過程中。鋰離子電池的內部短路只能通過在低溫下加熱來感應，因此它非常實用，尤其是在模擬電池組中電池的內部斷路時。這種方法幾乎是目前唯一可行的方法。

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