锂离子电池在挤压测试中结构变化

1、锂离子电池在挤压测试中结构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H

2、sin 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。下图为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

3、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（图e表明在机械滥用的情况下会在电芯的边缘发生失效10 mmg从图上可以看到挤压点周围的集流 可以看到在电芯的边缘有多层电极的 这也是电池发生内短路的常见模体已经破碎为碎片状，呈现出放射状分布。下图为0.25”的挤压球引起的电池结构变化的图片b和图c下图为0.5”挤压球对锂离子电池造成的结构破坏，挤压球更小的曲度，使得其对电池的 破坏也更加均匀。但是剪切力仍然是造成电芯结构破坏的主要原因，在电芯中能够看到一条 45度

4、左右的破坏线。下图为半径为1”的挤压球对电池造成的结构破坏，电芯内仍然有一条跨越多层电极的 破坏线，活性物质与集流体发生分离，集流体碎片沿着破坏线发生了滑移，进入到了破坏线 的内部。下图为2”的挤压球造成的电池结构破坏，可以看到电芯内部没有45度的破坏线。下图为3”挤压球造成的电池结构破坏，可以看到电极撕裂和剪切力对电极的破坏又成 为造成电池结构破坏的主要原因。根据上述结果，Hsin Wang认为在挤压过程中电池的形变可以分为以下几步。1）初期对电芯均匀的挤压：电极变形主要取决于每层电极的柔顺程度，电极位移非常均 匀，主要取决于挤压球的形状和电芯的各向异性。2）失效：随着压力的不断增大，最终超过电芯的强度，引起局部失效。局部失效的模式 目前还不清楚，一种可能的因素是电芯的剪切强度低，因此在剪切力的作用下电芯被破坏， 并将集流体撕裂。3）材料的滑移和内部重组：在电芯失效线附近的电极材料可能会沿着失效线滑