探究鋰離子電池在擠壓測試中電芯結構的變化

為了保證鋰離子電池的安全性，我們引入了眾多的考驗鋰離子電池安全性的測試方法，例如針刺、擠壓、短路和過充、過放等，用以模擬鋰離子電池在實際使用過程中可能面臨的機械、電濫用的情況。
　　關于這些安全測試的研究報道很多，但是關注鋰離子電池在這些測試中電池結構變化的研究卻很少，這主要是因為在引起鋰離子電池內短路的安全測試中，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，這導致了對鋰離子電池在安全測試過程中的結構研究比較困難。
　　美國橡樹嶺國家實驗室的Hsin Wang等利用低荷電態下的方形鋁殼鋰離子電池研究了在擠壓測試中電池結構的變化。較低的SoC能夠避免在鋰離子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仍然能夠保持原來形狀。
　　實驗過程如下圖所示，電池產熱和電壓突變用以標志鋰離子電池內短路的發生，然后上下擠壓球會回到初始位置，實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。
　　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
　　標簽：電芯微短路測試熱壓機