探究锂离子电池在挤压测试中电芯结构的变化

为了保证锂离子电池的安全性，我们引入了众多的考验锂离子电池安全性的测试方法，例如针刺、挤压、短路和过充、过放等，用以模拟锂离子电池在实际使用过程中可能面临的机械、电滥用的情况。
　　关于这些安全测试的研究报道很多，但是关注锂离子电池在这些测试中电池结构变化的研究却很少，这主要是因为在引起锂离子电池内短路的安全测试中，往往会引发热失控，导致短路点局部的电极、隔膜等发生融化，破坏短路瞬间的电池结构。即便是没有发生热失控，在挤压等外力释放后，电芯也会发生回弹，破坏短路时电芯的结构特点，这导致了对锂离子电池在安全测试过程中的结构研究比较困难。
　　美国橡树岭国家实验室的Hsin Wang等利用低荷电态下的方形铝壳锂离子电池研究了在挤压测试中电池结构的变化。较低的SoC能够避免在锂离子电池发生内短路时引起热失控，而Al壳则能够保证在外力消失后电池仍然能够保持原来形状。
　　实验过程如下图所示，电池产热和电压突变用以标志锂离子电池内短路的发生，然后上下挤压球会回到初始位置，实验显示电池在厚度方向上的形变至少要达到60%以上内短路才会发生。短路后的电池被从中间位置切开，用光学显微镜观察横截面的结构。
　　为0.25”、0.5”、1”、2”和3”尺寸的挤压球造成的电池内短路的横截面照片，从这些图片中我们可以看到：
　　1）集流体撕裂：短路处的集流体不连续，表面在挤压的过程中发生了集流体的撕裂和断裂。
　　2）多层集流体断裂：在剪切力的作用上电芯发生了多层集流体的断裂，并呈现出角度为45度左右的断裂线。
　　3）电极层纽结：多层电极之间相互纽结。
　　4）局部熔化
　　标签：电芯微短路测试热压机