【科普】軸向壓力導(dǎo)致18650電池失效的機(jī)理研究

隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，鋰離子電池由于能量密度高、無記憶效應(yīng)和安全性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的用于動(dòng)力電池領(lǐng)域。由于電動(dòng)隨著電汽車的特殊性，因此對(duì)動(dòng)力電池的安全性也提出更高的要求，例如在電動(dòng)汽車發(fā)生碰撞等安全事故時(shí)，需要?jiǎng)恿﹄姵夭黄鸹稹⒉槐?，保證駕乘人員的安全性，因此在動(dòng)力電池安全試實(shí)驗(yàn)中就包含了擠壓、針刺等涉及到在極端濫用情況下鋰離子電池安全性能的測(cè)試，能否通過這些嚴(yán)苛的安全試驗(yàn)，是評(píng)價(jià)一款鋰離子電池安全性的終極標(biāo)準(zhǔn)。

在擠壓試驗(yàn)中，鋰離子電池首先是外殼發(fā)生變形，然后開始對(duì)電芯形成擠壓，由于目前干法拉伸工藝制備的隔膜在橫向和對(duì)角線方向上強(qiáng)度較低，因此在電芯變形達(dá)到一定程度時(shí)，隔膜的橫向會(huì)首先發(fā)生斷裂，導(dǎo)致鋰離子電池的正負(fù)極直接接觸，發(fā)生短路，瞬間釋放出大量的熱量，導(dǎo)致負(fù)極SEI膜、正極活性物質(zhì)和電解液發(fā)生分解反應(yīng)，導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生熱失控，最終導(dǎo)致鋰離子電池起火和爆炸。

為了避免鋰離子電池在擠壓試驗(yàn)中發(fā)生熱失控，提高鋰離子電池的安全性，就需要對(duì)鋰離子電池在擠壓試驗(yàn)中發(fā)生熱失控的機(jī)理，進(jìn)行深入的研究，從而對(duì)鋰離子電池進(jìn)行針對(duì)性的安全設(shè)計(jì)，從而提升鋰離子電池在擠壓試驗(yàn)中的安全性。下面我們就一起來看一下美國(guó)麻省理工學(xué)院的最新研究成果。

美國(guó)麻省理工學(xué)院的Juner Zhu等人利用18650電池研究了在發(fā)生軸向擠壓的過程中鋰離子電池的發(fā)生熱失控的機(jī)理，并利用有限元分析模型進(jìn)行了仿真分析，該模型還原了不同的軸向壓力對(duì)鋰離子電池造成的影響，分析結(jié)果得到了CT掃描的驗(yàn)證，該仿真分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)了兩種可以解釋在擠壓試驗(yàn)中導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生短路原因。

由于在動(dòng)力電池組中18650電池一般是采用垂直裝配的，在電池組發(fā)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主要研究了在軸向壓力下電池變形導(dǎo)致鋰離子電池短路的機(jī)理。一些傳統(tǒng)的模型由于假設(shè)鋰離子電池內(nèi)部是一個(gè)均一的整體，因此在預(yù)測(cè)18650電池軸向壓縮試驗(yàn)的時(shí)候就無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，這主要是由于鋰離子電池電芯的特殊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在電芯的上部和下部并不完全一致，同時(shí)由于鋰離子電池上蓋（也就是正極）獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得鋰離子電池在承受軸向壓力的時(shí)候，可能會(huì)在內(nèi)短路發(fā)生之前，就引起鋰離子電池發(fā)生短路。

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