安全第一，浅谈锂离子电池内短路模拟

来源：第一电网特约作者：平兰俯瞰新能源领军人物

动力电池的安全性是我们在使用过程中的首要考虑因素，因此我们在动力电池的评估指标中也建立了严格的安全评估体系，如挤压、针刺、过充电、过放电和短路，以模拟锂离子电池在实际使用中的滥用。在所有的安全问题中，有一个是最难模拟内部短路的。顾名思义，内部短路是指锂离子电池中由于设计或制造缺陷而存在多余材料，或锂枝晶，从而导致隔膜破坏和阳极与阴极之间短路。这是最危险的情况，因为此时整个电池的能量都是通过这个短路点释放出来的（最多约70%的能量会在60s内释放出来），所以这里的温度在瞬间迅速上升，然后阳极和阴极的活性物质被触发。

由于短路发生在锂离子电池内部，因此很难通过外部作用模拟内部短路造成的损坏。例如，在常见的针灸实验中，短路最初发生在一个点，但随着针头插入电池，电流密度大大降低，针头会带走短路产生的部分热量。因此，与内部短路相比，针刺测试简直“太温和了”。

在挤压试验过程中，随着电池变形的增加，隔膜发生机械故障，导致电池内部短路。然而，挤压引起的短路点通常面积较大，或者多个点同时短路，因此挤压试验引起的短路电流与内部短路相比大大降低，因此挤压实验无法完美模拟锂离子电池的内部短路。

由此可见，常见的安全测试方法并不能很好地模拟锂离子电池的内部短路，或者评估标准不够严格。从本质上讲，锂离子电池的短路是由电池芯中的过剩（尤其是导电过剩）引起的，无论是生产过程中引入的过剩，还是使用过程中产生的锂枝晶。基于此，日本电池协会提出了一种模拟锂离子电池内部短路的方法。取出电池芯后，将一小块金属放入电池芯中，然后将其放入电池壳中。最后，将电池放入挤压设备中挤压电池，直到发生内部短路。这种方法可以准确模拟锂离子电池的内部短路，但由于需要拆解，在实际生产中很少用于评估电池。

其他可以模拟锂离子电池短路的方法也需要在电池中引入多余的材料。例如，桑迪亚国家实验室将Wood的金属（金属的熔点仅为70摄氏度）引入电池，美国可再生能源国家实验室的NREL通过在电池中引入相变材料来模拟锂离子电池的短路。一般来说，这些方法需要打开电池并引入多余的材料，因此在实际应用中缺乏可操作性。

为了解决实际问题，对美国橡树岭国家实验室Wei Cai等人的传统挤压试验参数进行了优化，使锂离子电池的两个电极之间可以产生直径为1-2mm的短路点，并且可以通过调整实验参数来产生具有不同尺寸的短路点。实验方法如下图所示。

Wei Cai等人提出的内部短路模拟方法的关键在于停止挤压的时间。下图显示了当电池电压分别降至1.0V（上图）和3.0V（下图）时停止挤压的图片。可以看出，当电池电压降至1.0V时，孔洞被t烧穿……

隔膜明显更大，而当电池电压在3.0V时切断时，隔膜烧穿的孔约为1-2mm，接近实际内部短路中短路点的大小。该方法的主要优点是可以在不损坏电池的情况下模拟锂离子电池中的短路，大大提高了该方法的实用性。

为了更准确地模拟锂离子电池内部短路的发生，人们开发了一种基于蜡的内部短路装置。蜡的熔点很低，只有57℃左右，所以只需要将锂离子电池加热到很低的温度，蜡融化后就可以诱发锂离子电池内部短路。实验表明，当电池被加热到蜡的熔点时，锂离子电池几乎同时发生内部短路，电池温度迅速上升。这种方法最大的优点是最大限度地恢复了锂离子电池的真实内部短路，而且这种方法简单易操作，而且在制造锂离子电池时只需要在电池芯中添加设备，大大提高了这种方法的实用性。特别是在模拟电池组短路时，这种方法几乎是目前唯一可行的模拟方法。

由于制造缺陷或设计缺陷，锂离子电池中存在多余的材料和锂枝晶，这是锂离子电池内部短路的最常见原因。例如，波士顿波音787梦想客机的锂离子电池起火，被认为是由于锂离子电池在低温下充电时形成锂枝晶，从而导致内部短路。随着电动汽车的普及，类似的安全事件还会继续发生。如何从设计上减少锂离子电池内部短路造成的损失是我们锂离子电池设计者需要考虑的问题，因此对锂离子电池的内部短路进行模拟就显得尤为重要。基于以上介绍，小编认为蜡基内部短路设备（ISCD）是一种可行的方法，这种设备可以添加到锂离子电池的生产过程中。锂离子电池的内部短路只能通过在低温下加热来感应，因此它非常实用，尤其是在模拟电池组中电池的内部断路时。这种方法几乎是目前唯一可行的方法。

来源：第一电网特约作者：平澜俯瞰新能源领军人物

动力电池的安全性是我们在使用过程中的首要考虑因素，因此我们在动力电池的评估指标中也建立了严格的安全评估体系，如挤压、针刺、过充电、过放电和短路，以模拟锂离子电池在实际使用中的滥用。在所有的安全问题中，有一个是最难模拟内部短路的。顾名思义，内部短路是指锂离子电池中由于设计或制造缺陷而存在多余材料，或锂枝晶，从而导致隔膜破坏和阳极与阴极之间短路。这是最危险的情况，因为此时整个电池的能量都是通过这个短路点释放出来的（最多约70%的能量会在60s内释放出来），所以这里的温度在瞬间迅速上升，然后阳极和阴极的活性物质被触发。

由于短路发生在锂离子电池内部，因此很难通过外部作用模拟内部短路造成的损坏。例如，在常见的针灸实验中，短路最初发生在一个点，但随着针头插入电池，电流密度大大降低，针头会带走短路产生的部分热量。因此，与内部短路相比，针刺测试简直“太温和了”。

在挤压试验过程中，随着电池变形的增加，隔膜发生机械故障，导致电池内部短路。然而，挤压发电机引起的短路点……

ly的面积较大，或者多个点同时短路，因此与内部短路相比，挤压试验引起的短路电流大大降低，因此挤压试验无法完美模拟锂离子电池的内部短路。

由此可见，常见的安全测试方法并不能很好地模拟锂离子电池的内部短路，或者评估标准不够严格。从本质上讲，锂离子电池的短路是由电池芯中的过剩（尤其是导电过剩）引起的，无论是生产过程中引入的过剩，还是使用过程中产生的锂枝晶。基于此，日本电池协会提出了一种模拟锂离子电池内部短路的方法。取出电池芯后，将一小块金属放入电池芯中，然后将其放入电池壳中。最后，将电池放入挤压设备中挤压电池，直到发生内部短路。这种方法可以准确模拟锂离子电池的内部短路，但由于需要拆解，在实际生产中很少用于评估电池。

其他可以模拟锂离子电池短路的方法也需要在电池中引入多余的材料。例如，桑迪亚国家实验室将Wood的金属（金属的熔点仅为70摄氏度）引入电池，美国可再生能源国家实验室的NREL通过在电池中引入相变材料来模拟锂离子电池的短路。一般来说，这些方法需要打开电池并引入多余的材料，因此在实际应用中缺乏可操作性。

为了解决实际问题，对美国橡树岭国家实验室Wei Cai等人的传统挤压试验参数进行了优化，使锂离子电池的两个电极之间可以产生直径为1-2mm的短路点，并且可以通过调整实验参数来产生具有不同尺寸的短路点。实验方法如下图所示。

Wei Cai等人提出的内部短路模拟方法的关键在于停止挤压的时间。下图显示了当电池电压分别降至1.0V（上图）和3.0V（下图）时停止挤压的图片。可以看出，当电池电压降至1.0V时，隔膜烧穿的孔明显更大，而当电池电压在3.0V时被切断时，隔膜烧穿的孔约为1-2mm，接近实际内部短路中短路点的大小。该方法的主要优点是可以在不损坏电池的情况下模拟锂离子电池中的短路，大大提高了该方法的实用性。

为了更准确地模拟锂离子电池内部短路的发生，人们开发了一种基于蜡的内部短路装置。蜡的熔点很低，只有57℃左右，所以只需要将锂离子电池加热到很低的温度，蜡融化后就可以诱发锂离子电池内部短路。实验表明，当电池被加热到蜡的熔点时，锂离子电池几乎同时发生内部短路，电池温度迅速上升。这种方法最大的优点是最大限度地恢复了锂离子电池的真实内部短路，而且这种方法简单易操作，而且在制造锂离子电池时只需要在电池芯中添加设备，大大提高了这种方法的实用性。特别是在模拟电池组短路时，这种方法几乎是目前唯一可行的模拟方法。

由于制造缺陷或设计缺陷，锂离子电池中存在多余的材料和锂枝晶，这是锂离子电池内部短路的最常见原因。例如……

波士顿波音787梦想客机的锂离子电池起火被认为是由于锂离子电池在低温下充电时形成锂枝晶，从而导致内部短路。随着电动汽车的普及，类似的安全事件还会继续发生。如何从设计上减少锂离子电池内部短路造成的损失是我们锂离子电池设计者需要考虑的问题，因此对锂离子电池的内部短路进行模拟就显得尤为重要。基于以上介绍，小编认为蜡基内部短路设备（ISCD）是一种可行的方法，这种设备可以添加到锂离子电池的生产过程中。锂离子电池的内部短路只能通过在低温下加热来感应，因此它非常实用，尤其是在模拟电池组中电池的内部断路时。这种方法几乎是目前唯一可行的方法。

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