動力汽車產業的快速發展，鋰離子電池由於能量密度高、wujiyixiaoyingheanquanxinggaodengyoudianbeiguangfandeyongyudonglidianchilingyu。youyudiandongsuizhedianqichedeteshuxing，yinciduidonglidianchideanquanxingyetichugenggaodeyaoqiu，liruzaidiandongqichefashengpengzhuangdenganquanshigushi，xuyaodonglidianchibuqihuo、不爆炸，保證駕乘人員的安全性，因此在動力電池安全試實驗中就包含了擠壓、針zhen刺ci等deng涉she及ji到dao在zai極ji端duan濫lan用yong情qing況kuang下xia鋰li離li子zi電dian池chi安an全quan性xing能neng的de測ce試shi
，能neng否fou通tong過guo這zhe些xie嚴yan苛ke的de安an全quan試shi驗yan
，是shi評ping價jia一yi款kuan鋰li離li子zi電dian池chi安an全quan性xing的de終zhong極ji標biao準zhun。

 

 

在擠壓試驗中，鋰離子電池首先是外殼發fa生sheng變bian形xing
，然ran後hou開kai始shi對dui電dian芯xin形xing成cheng擠ji壓ya
，由you於yu目mu前qian幹gan法fa拉la伸shen工gong藝yi製zhi備bei的de隔ge膜mo在zai橫heng向xiang和he對dui角jiao線xian方fang向xiang上shang強qiang度du較jiao低di，因yin此ci在zai電dian芯xin變bian形xing達da到dao一yi定ding程cheng度du時shi

，隔ge膜mo的de橫heng向xiang會hui首shou先xian發fa生sheng斷duan裂lie，導dao致zhi鋰li離li子zi電dian池chi的de正zheng負fu極ji直zhi接jie接jie觸chu，發fa生sheng短duan路lu，瞬shun間jian釋shi放fang出chu大da量liang的de熱re量liang，導dao致zhi負fu極jiSEI膜、正極活性物質和電解液發生分解反應
，導致鋰離子電池發生熱失控，最終導致鋰離子電池起火和爆炸。

 

為(wei)了(le)避(bi)免(mian)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)在(zai)擠(ji)壓(ya)試(shi)驗(yan)中(zhong)發(fa)生(sheng)熱(re)失(shi)控(kong)，提(ti)高(gao)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)的(de)安(an)全(quan)性(xing)
，就(jiu)需(xu)要(yao)對(dui)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)在(zai)擠(ji)壓(ya)試(shi)驗(yan)中(zhong)發(fa)生(sheng)熱(re)失(shi)控(kong)的(de)機(ji)理(li)
，進(jin)行(xing)深(shen)入(ru)的(de)研(yan)究(jiu)，從(cong)而(er)對(dui)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)進(jin)行(xing)針(zhen)對(dui)性(xing)的(de)安(an)全(quan)設(she)計(ji)，從(cong)而(er)提(ti)升(sheng)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)在(zai)擠(ji)壓(ya)試(shi)驗(yan)中(zhong)的(de)安(an)全(quan)性(xing)。下麵我們就一起來看一下美國麻省理工學院的最新研究成果。

 

 

美國麻省理工學院的Juner Zhu等人利用18650電dian池chi研yan究jiu了le在zai發fa生sheng軸zhou向xiang擠ji壓ya的de過guo程cheng中zhong鋰li離li子zi電dian池chi的de發fa生sheng熱re失shi控kong的de機ji理li
，並bing利li用yong有you限xian元yuan分fen析xi模mo型xing進jin行xing了le仿fang真zhen分fen析xi，該gai模mo型xing還hai原yuan了le不bu同tong的de軸zhou向xiang壓ya力li對dui鋰li離li子zi電dian池chi造zao成cheng的de影ying響xiang
，分fen析xi結jie果guo得de到dao了leCT掃描的驗證，該仿真分析結果發現了兩種可以解釋在擠壓試驗中導致鋰離子電池發生短路原因。

 

由於在動力電池組中18650電池一般是采用垂直裝配的，在電池組發生跌落等情況下，軸向擠壓是造成鋰離子電池變形的主要原因，因此Juner Zhu主zhu要yao研yan究jiu了le在zai軸zhou向xiang壓ya力li下xia電dian池chi變bian形xing導dao致zhi鋰li離li子zi電dian池chi短duan路lu的de機ji理li。一yi些xie傳chuan統tong的de模mo型xing由you於yu假jia設she鋰li離li子zi電dian池chi內nei部bu是shi一yi個ge均jun一yi的de整zheng體ti，因yin此ci在zai預yu測ce18650dianchizhouxiangyasuoshiyandeshihoujiuwufazhunqueyuceshiyanjieguo，zhezhuyaoshiyouyulilizidianchidianxindeteshujiegou，daozhizaidianxindeshangbuhexiabubingbuwanquanyizhi，tongshiyouyulilizidianchishanggai（也就是正極）獨特的結構使得鋰離子電池在承受軸向壓力的時候

，可能會在內短路發生之前，就引起鋰離子電池發生短路。

 

18650電池主要由三部分組成：安全閥、卷芯和低碳鋼外殼。安全閥通常由正溫度係數材料
、鋁安全閥和不鏽鋼正極端子、氣體密封墊等組成
，電芯由正極、負極和隔膜組成，在本試驗中正極的活性物質的成分為LiCoO2。軸向載荷的加載速度為5mm／min，所有的試驗電池在試驗之前都已經完全放電（SOC＝0）。測試結果顯示，18650電池在軸向壓力測試中壓力呈現出緩慢上升——快速上升——輕微下降——快速上升的趨勢，而電壓測試顯示，18650電池在變形達到4mm的情況下才會發生失效，而且通過試驗發現

，18650電池的電壓突降主要是由於電池內部短路造成的，而不是內部結構的斷路。為了研究18650在軸向壓力下失效的機理，Juner Zhu還(hai)利(li)用(yong)有(you)限(xian)元(yuan)軟(ruan)件(jian)對(dui)其(qi)進(jin)行(xing)了(le)分(fen)析(xi)
，模(mo)型(xing)中(zhong)的(de)材(cai)料(liao)主(zhu)要(yao)采(cai)用(yong)了(le)彈(dan)塑(su)性(xing)模(mo)型(xing)，並(bing)且(qie)考(kao)慮(lv)了(le)各(ge)種(zhong)材(cai)料(liao)的(de)各(ge)向(xiang)異(yi)性(xing)的(de)特(te)點(dian)，模(mo)型(xing)中(zhong)包(bao)涵(han)了(le)上(shang)百(bai)萬(wan)的(de)計(ji)算(suan)單(dan)元(yuan)，軸(zhou)向(xiang)載(zai)荷(he)的(de)加(jia)載(zai)速(su)度(du)被(bei)設(she)置(zhi)為(wei)1m／s。

 

仿真結果再現了在軸向載荷的情況下，18650電池變形的經過。首先電池的上蓋區域的殼體開始發生塑性變形，在變形程度超過1mm後hou，變bian形xing的de外wai殼ke開kai始shi擠ji壓ya電dian池chi卷juan芯xin的de上shang部bu，隨sui著zhe變bian形xing程cheng度du的de增zeng加jia，電dian芯xin開kai始shi出chu現xian變bian形xing，從cong而er在zai壓ya力li曲qu線xian上shang出chu現xian了le一yi個ge輕qing微wei的de下xia降jiang，然ran後hou隨sui著zhe電dian池chi殼ke體ti與yu電dian芯xin的de接jie觸chu麵mian積ji的de增zeng加jia，使shi得de壓ya力li曲qu線xian呈cheng現xian了le一yi個ge快kuai速su上shang升sheng的de趨qu勢shi。CT掃描結果也很好的驗證了上述分析，試驗電池的變形主要發生在上部結構中，電池下改幾乎沒有發生變形。

 

 

對試驗後的18650電池進行拆解顯示，雖然電芯發生了嚴重的變形，但是正負極並沒有發生斷裂，反而是隔膜在距離上部邊緣1．3mm的(de)位(wei)置(zhi)出(chu)現(xian)了(le)一(yi)個(ge)裂(lie)縫(feng)

，這(zhe)直(zhi)接(jie)導(dao)致(zhi)了(le)電(dian)池(chi)發(fa)生(sheng)短(duan)路(lu)
，電(dian)壓(ya)突(tu)降(jiang)，而(er)這(zhe)一(yi)裂(lie)縫(feng)可(ke)能(neng)是(shi)由(you)於(yu)金(jin)屬(shu)箔(bo)鋒(feng)利(li)的(de)邊(bian)緣(yuan)侵(qin)入(ru)造(zao)成(cheng)的(de)。此(ci)外(wai)隔(ge)膜(mo)的(de)在(zai)一(yi)些(xie)位(wei)置(zhi)厚(hou)度(du)出(chu)現(xian)了(le)很(hen)大(da)的(de)下(xia)降(jiang)

，這(zhe)主(zhu)要(yao)是(shi)由(you)於(yu)凹(ao)陷(xian)的(de)外(wai)殼(ke)擠(ji)壓(ya)電(dian)芯(xin)造(zao)成(cheng)的(de)。

 

從上述分析結果來看
，軸向壓力下導致18650電池短路的可能原因主要有以下幾點：

 

1．外殼通過破裂的隔膜與正負極接觸

2．正負極通過破裂的隔膜接觸

3．正負極通過隔膜變薄的區域接觸

4．安全閥被擠壓
，與電芯接觸

 

從測試結果來看，當18650電池軸向變形達到4mm時就會引發內短路，因此需要在電池組安全設計的時候特別考慮。此外由於在軸向壓力時變形主要發生在18650電池的上部
，因此對18650電池上部的安全設計也要特別在意。