锂离子电池安规测试要求

自锂离子电池问世以来，经过短短四年就直面自己的第一个危机：索尼郡山工厂100多万块锂离子电池不明原因起火。随后，索尼用了五个月来说服东京消防厅，才避免了锂离子电池被贴上“危险品”的标签。与此同时，索尼也对锂离子电池的安全性能进行了大量的研究，锂离子电池安规测试要求标准也开始逐步完善。

制作最安全的电池，是我们每一个锂电人的不懈追求。本文将以锂离子电池热失控原理为切入点，重点介绍六项锂离子电池安规测试要求的失效原理及改善方案，以期对大家的日常工作有所帮助。
热失控的原理：
锂离子电池为什么危险？因为一颗锂离子电池内，集成了燃烧三要素的全部内容：
高温——由大倍率充放电或内外短路引发；
可燃物——电解液、隔膜、负极等；
氧气——多数正极高温或高电压下不稳定分解产氧；
因此遇到一些极端情况，锂离子电池很容易发生热失控并起火爆炸。具体而言，锂离子电池内可能发生的热反应如下：
从上图可见，锂离子电池内部的副反应几乎涵盖了70℃以上的全部温度范围，那是不是说明锂离子电池中的各项副反应就像一套多米诺骨牌一样，推倒第一张，后续就会自发的进行“链式反应”呢？答案并非如此，主要原因有以下几点：
1）一些热反应的物质量太少，产热不足以进一步推高电芯温度至下一个热反应，如SEI膜分解；
2）一些热反应在低温状态下的速率过低，产热速度甚至赶不上电芯散热速度，因此不足以造成危险，如负极与电解液的反应；
3）锂很危险，但前提是电芯严重析锂；燃烧很可怕，但前提是正极分解产氧或者空气大量进入电芯内环境。因此并非温度达到，电芯就会进入热失控。
也就是说，单纯根据以上热反应来研究电芯的安全性，还是有一些照本宣科的感觉。对于电芯安全性的讨论，最好是以常见的各项安规测试的失效原理为突破口，了解各项测试的“失效短板”在哪里，再针对性的进行改善。
本文的主体内容，就是以锂离子电池常见的六项安规测试（电池热冲击试验、电池针刺试验、电池重物冲击试验、电池过充、过放试验、电池外短路试验）为背景，优先介绍其失效原理，并根据失效原理的分析提出改善方案。
安规原理及改善：
01.电池热冲击试验
测试条件：
电池充满电后130℃（150℃）高温存储10min（30min）
失效原理
高温存储引发隔膜严重收缩，进而造成正负极大面积内短路并产生大量的热，当电池温度超过热失控温度时，起火爆炸。
用因果链图描述失效原理如下：电池被加热-隔膜热收缩-正负极短路-产生大量热-热失控。
改善方案：
本篇文章的所有改善方案，都严格的基于对上面的“因果链图”的分析。
接下来我们就以上述的因果链图为基础，仔细思考一下热冲击的改善方案：
针对“电池被加热”的改善
把上述内容翻译过来就是：电池在进行热冲击时，可以做到不被加热到那么高的温度吗？
虽然这一点并不容易做到，但是文武依旧可以想象到一些概念性的方法，例如在电池中加入一些高比热容的材料，从而减缓电池内部温升的速度，或者在电池包装盒上涂覆一层绝热材料，让外界的热量不至于过快的传递给电池内部。
当然，以上的改善并非一定工业可行或者对我们锂电人有多么大的深入研究价值，文武将其写出，一是为了扩宽大家的思路，另外也是为了展示因果链分析的价值。

针对“隔膜热收缩”的改善
如何避免隔膜在热冲击条件下的热收缩，是热冲击改善的关键点。
PE材质的隔膜熔点大概在130℃，而PP材质的隔膜熔点为160℃左右。也就是说，如果隔膜为PP或PP/PE复合材质，则高温存储不足以造成隔膜收缩，也就无法引发后续的正负极内短路和进一步放热，电池在热冲击下也就是安全的。

满电状态的石墨负极热失控温度在250℃以上，热冲击+内短路不足以造成如此高的温度，因此负极并非热冲击的失效短板。与之相比较，正极在满充状态下则危险了很多：
当满电态钴酸锂+电解液的温度超过180℃时，二者就会反应并产生大量的热，从而引发电池的热失控。因此与负极相比，正极的改善才是规避电池发生热失控的短板。

对于正极而言，其不稳定性主要体现在满充状态下分解产氧，不同种类的满充正极材料在高温下的产氧差异，可以用下面的两张图来展示：
从上面两张图中可以看出，磷酸铁锂、锰酸锂的分解温度比较高，同时产氧量非常少，因此用其为正极的锂离子电池，不论热冲击还是其他安规测试，安全性都会大幅提高。
而对于高镍三元和钴酸锂而言，其在高温满电状态下大量产氧是难以避免的，包覆、减小比表面积等处理方法或许对结果有些许改善，但是无法从根本上提高材料的安全性能。

疑惑：130℃内短路，都不足以让电池热失控吗？
根据经验我们知道：很多时候我们使用的是PE或者PE涂陶瓷隔膜，此时电芯做热冲击必然内短路，但大部分时候，热冲击都是一项不难通过的安规测试，也就是说，130℃的电芯内短路，都不足以造成热失控，这与针刺（造成短路）后电芯极易热失控的结果相违，这是为什么？

“内短路”实际上是一个比较宽泛的概念，具体而言，电芯内短路一共有四种形式，各种形式的接触电阻如下：

短路点的接触电阻过大，则整体短路电流会比较小；短路点接触电阻过小，则虽然短路电流变大，但是接触点由于电阻过小而产热不多。综合来讲，短路点接触电阻与电芯内阻接近时，才会产生最大的热量。
对于电池的热失控，不仅需要考虑产热，还需要同时考虑散热的情况。铜箔和铝箔内短路虽然电流很大、产热很多，但是二者都是热的良导体，热量无法聚集，不足以造成局部高温和引发热失控。而铝箔与负极的短路才是最危险的，原因之一是产热大，二是石墨相对金属而言散热慢。

在热冲击安规测试中，隔膜熔化后内短路的主要形式是正极对负极、铝箔对铜箔，前者的接触电阻为欧姆级，产生的电流仅为数安倍（上面的热冲击隔膜熔化电芯拆解图片，负极还有大面积的金黄色，说明虽然发生了内短路，但是电都没有放完），后者产生了热量又无法聚集，因此，热冲击时候的内短路，往往不足以引发电芯热失控。

热冲击总结
失效原理：热冲击造成隔膜收缩熔化引发电芯内短路
关键改善点：隔膜材质
可能改善点：正极稳定性、电解液稳定性
头脑风暴改善点：提高电芯比热容、在正负极表面涂覆热敏材料
02针刺
测试条件
在电池满充电后，用匀速运动的钢钉将其主体刺破
失效原理
钢钉刺破电芯主体，由此造成正负极间短路，短路点集中于钢针刺破的很小区域中，产生的热量高度聚集，从而造成电芯热失控。
用因果链图描述失效原理如下：
钢针刺破主体-钢针引发短路-短路点升温-正极分解-热失控

改善方案

针对“钢针刺破主体”的改善

针对“钢针引发短路”的改善
钢针刺破电芯主体并引发严重的内短路，可以说是针刺热失控的根本原因，钢针刺破电芯主体后，内部示意图如下：
此时钢针必然与正负极接触，由于钢针是导体，因此一定会造成正负极短路，因此想让钢针不引发短路，只能寄托于让此时的钢针变成绝缘体。
对应的概念性解决方案是存在的：在电芯壳体内部涂覆一层绝缘层，当钢针刺破壳体时，绝缘层会将钢针包裹，从而让刺入电芯后的钢针绝缘。
上述改善的实际效果不易验证，但使用塑料针针刺电芯后，电芯很难起火爆炸却是容易验证的：

当使用了塑料针后，电芯电压在针刺后仅是缓慢下降，说明刺针绝缘确实可以改善针刺结果。

针对“短路点升温”的改善
针刺之所以是最难的安规测试，主要在于刺破点位置短路造成的集中高温。由文武在前文所讲的热失效原理我们知道：电芯中真正的热失控链式反应并不是材料间的互相加温或反应传递，而是局部热失控极易造成整体热失控。

改善方案
针对“钢针引发短路”的改善
钢针刺破电芯主体并引发严重的内短路，可以说是针刺热失控的根本原因，钢针刺破电芯主体后，内部示意图如下：
此时钢针必然与正负极接触，由于钢针是导体，因此一定会造成正负极短路，因此想让钢针不引发短路，只能寄托于让此时的钢针变成绝缘体。
对应的概念性解决方案是存在的：在电芯壳体内部涂覆一层绝缘层，当钢针刺破壳体时，绝缘层会将钢针包裹，从而让刺入电芯后的钢针绝缘。
上述改善的实际效果不易验证，但使用塑料针针刺电芯后，电芯很难起火爆炸却是容易验证的：
当使用了塑料针后，电芯电压在针刺后仅是缓慢下降，说明刺针绝缘确实可以改善针刺结果。

针对“短路点升温”的改善
针刺之所以是最难的安规测试，主要在于刺破点位置短路造成的集中高温。由文武在前文所讲的热失效原理我们知道：电芯中真正的热失控链式反应并不是材料间的互相加温或反应传递，而是局部热失控极易造成整体热失控。

除了局部超高温外，刺针引发内短路的情况也非常复杂和危险：电芯被刺破后，隔膜很容易由于过热而发生大面积的熔化：
铜铝箔在针刺后容易产生批锋，敷料也可能随着脱落，且正负极片的层叠结构也会由于刺针的压迫而产生变化：

因此，针刺后的内短路状态并不像热冲击那样规范（正对负，铝对铜），而是可能同时存在包括铝箔对负极在内的四种情况，这无疑是非常危险的，同时也让针刺实验的再现性变差。

我们可以总结一下，针刺内短路温升的根本原因，在于发生了（包括铝箔与负极间的）复杂内短路及大量热量在刺破点的聚集，根据这一原理，有以下可能性的解决方案：

1）有没有一种在针刺时不会产生或者少产生毛刺的铝箔？例如大孔洞的铝箔或者有涂层的铝箔会否对针刺有所改善。

2）有没有方法降低铝箔与负极短路间的短路电流：首先可以想到的是对铝箔表面进行处理，增加其与负极接触时的电阻；
其次就是我们比较熟悉的马甲结构，马甲处直接为铝箔与铜箔内短路，二者接触电阻仅为铝箔与负极间的百分之一，可以很大程度的对内短路电流进行分流，从而显著改善针刺。
使用负极或铜箔收尾结构也有可能对针刺产生改善，此时刺针会先刺破负极，从而可能优先引发铜箔与正极间的短路，并分散短路电流。

3）有没有办法让铝箔与负极在针刺时干脆不接触？如果能将单层极片做的很硬以至于针刺时不会轻易变形，或者让隔膜拥有很高的强度和熔点，或许可以达到这一目标。

4）有没有方法提高电芯的散热？针刺与短路、热冲击等最大的差异在于短路时电芯巨大的能量都瞬间在局部释放，而释放的原因又以铝箔与负极短路为主；因此如果可以大幅提升负极的导热性，甚至让其导热性接近金属，那么铝箔与负极内短路的危害，就真的与铝箔对铜箔类似了。
就电芯层面而言，电芯层数少、更薄则相当于降低了针刺后铝箔与负极的接触机会，一些又薄又大的钴酸锂电芯甚至有直接通过针刺的可能。
针对“正极分解”的改善
根据实验我们知道，铁锂&锰酸锂正极搭配石墨负极是很容易通过针刺的，这也认证了正极才是电池内短路后安全性的关键。同理，在三元、钴酸锂中掺混或包覆一些铁锂或锰酸锂，也可能对针刺有显著的改善效果。

未包覆安全材料的球形三元，针刺通过率0%

包覆了10%铁&锰基材料的球形三元，针刺通过率大幅提高

针对“热失控”的改善
电芯针刺热失控时，会喷出大量燃烧状态的电解液，因此，如果电解液是阻燃的，则可能会抑制针刺的热失控

阻燃电解液主要可分为两大方向，一个是将溶剂中原有的低闪点线状酯改为环状酯（同时可能也需要变更锂盐），一个是在溶剂中加入阻燃添加剂，主要有磷系、卤系和复合阻燃剂几大类。

除了使用阻燃电解液外，选择阻燃隔膜也可以对针刺有一定改善，但由于隔膜的燃烧不是针刺失效的根本原因，因此仅能够降低针刺热失控后的火势，想达到显著改善效果还需要配合其它改善方法。

打火机无法点燃的阻燃隔膜

疑惑：为什么网上很多资料都显示负极的稳定温度低于正极？而本文却频繁说正极才是安全性的关键？
在文武检索本文的参考资料时，也发现了大量的资料显示负极与电解液的反应温度更低，例如下面这张流传比较广泛的电芯内部各种材料的高温产热图：
而本文的热冲击及针刺内容，皆将正极作为改善关键点，则有以下两个原因：
1）实验证明铁锂+石墨电芯的高温稳定性，远高于三元+石墨的高温稳定性，因此负极确实不是常规体系中高温稳定性的短板；
2）正极若不稳定，会释放氧气，这对于目前的液态电解质体系是非常危险的，而负极即便不稳定，也只是单纯产热而已，与释放氧气的危险程度不可同日而语。

至于负极与电解液之间的反应，实际自化成就已开始并贯穿电池寿命始终，实验室测试出的放热起始温度较低也属正常情况。综合以上因素，本文认为在诸多安规测试中，失效的短板在于正极而非负极。

针刺总结
失效原理：复杂内短路造成的局部高温
关键改善点：马甲结构，正极稳定性
可能改善点：高穿刺强度及熔点的隔膜，薄且大的电芯形状，负极收尾结构，阻燃电解液，阻燃隔膜
头脑风暴改善点：内层壳体的绝缘包覆层，足够硬的极片，提高负极散热，变更铝箔表面材质

03重物冲击
测试条件
将一根金属棒横放在电芯表面，重锤从空中落下并砸在金属棒上

失效原理
金属棒巨大的冲力会将电芯砸出印记或者直接砸断，进而引发电芯内短路。
用因果链图描述失效原理如下：

改善方案

针对“金属棒冲击”或“电芯变形”的改善
（这是凑数信息的最后一次出现了）

针对“重物冲击后电芯损伤或断裂”的改善
如果可以保证电芯在重物冲击后完好无损，那后续的风险也就不存在了，这一方向也是改善重物冲击的主要措施：

1）电芯尺寸的影响：电芯越宽、越厚，就越容易吸收掉金属棒的冲击能量，而窄的、薄的电芯，则容易一砸就断，风险上升。当然，如果冲击能量过高，则电芯尺寸的改善效果有限。

2）电芯刚度的影响：电芯做到“硬邦邦”，就好比练就了“枪扎一个点，刀砍一条印”的铁布衫，重物冲击后可能会毫发无损；电芯做的“软绵绵”，又好似以巧破千斤，可以对金属棒的冲击力形成缓冲，也可以起到改善效果。

当然一个型号到底硬度做到什么程度最容易通过重物冲击，也与其尺寸密切相关，按文武有限的个人经验而言，窄的电芯软一点（类似于以巧破千斤），宽的电芯硬一些（就是让你砸不断）会好一些。

3）隔膜的机械强度：虽然重物冲击时电芯可以不被砸断，但是内部依旧会产生严重的变形，如下所示：
上图重物冲击前，下图重物冲击后

为了保证重物冲击后不发生大面积的内短路，因此隔膜也需要有较高的机械强度和失效应变。
4）电芯内部增加缓冲材料：例如可以在隔膜表面涂覆一层仿珍珠层涂层，当受到重物冲击时，涂层间会产生滑动从而减弱冲击对隔膜及电芯结构的损伤。

针对“电芯内短路”的改善
重物冲击在将电芯损伤或砸断后，内短路的情况要比针刺轻微很多：如果电芯没有砸断，则金属棒与正负极片的接触面很小；如果电芯被砸断，金属棒也难以与正负极片持续密切接触。
而对应的改善措施，也与上文中针刺后避免电芯内短路一样，属于一些概念性的方案，不再复述。
重物冲击总结
失效原理：金属棒冲击导致电池内部材料、结构失效并造成内短路
关键改善点：电芯形状，电芯硬度
可能改善点：正极稳定性，隔膜机械强度
头脑风暴改善点：电芯中增加缓冲物质
04过充电
测试条件
将锂离子电池充电至远高于其充电截止电压（4.6V以上）或远高于其额定容量（110%以上）的状态

失效原理
当过充至较高电压后，正极会分解产氧，同时负极会严重析锂，二者相遇，自然要擦出火花。

监控过充过程中电芯电压、温度的变化，可以将过充分为四个阶段，如下所示：

在上图所示各区间中发生的反应如下：
（Ⅰ）是电芯的正常充电过程；
（Ⅱ）时电芯已经进入了过充状态，但此时仅发生了负极析锂，正极尚未大量分解，因此并没有造成电芯温度异常上升；
（Ⅲ）时正极开始分解产氧并释放大量热，电芯温度上升，电芯的内阻由于温度的升高而降低，因此极化减弱，电芯电压略有降低；
（Ⅳ）电芯发生热失控，电压及温度突然急剧上升。

用因果链图描述过充的失效原理如下：
改善方案
针对“电压不断升高”的改善
锂离子电池不断过充电，又要指望着电压不升高，可以考虑两个方向的方法：切断充电回路，或者将充入的电量通过其它途径释放掉。

1）切断充电回路：想研究切断充电回路这个问题，先要搞清楚充电过程中的回路是什么：外电路→正极耳→铝箔→正极→电解液→隔膜→电解液→负极→铜箔→负极耳→外电路。
除了知道可能切断哪里外，我们还需要知道切断发生的诱因，对过充而言，诱因主要是电压的提高及温度的上升。知道了切断的位置和诱因，我们就可以找到诸多的可能改善方案了：

以温度为诱因，切断外电路与正极耳，例如在电芯上增加PTC保护：
以温度为诱因，切断铝箔与正极敷料，例如在铝箔表面涂覆一层PTC涂层：
以温度为诱因，切断正负极敷料与电解液，例如在活性物质表面包覆一层PTC涂层：
对于上述的PTC涂层材料，其在高温下的电阻会显著提高：
2）释放充入能量：治理洪水有堵和疏两套方案，处理过充的电流自然也有切断回路和释放能量两种方法，在释放能量时，可以考虑以下方法：

制作电压敏感隔膜：在隔膜中填充电活性聚合物，在正常电压范围内对电子绝缘，但是当电压上升到过充范围时，填充的聚合物被氧化为导电物质，相当于让正负极间活性物质短路，同时避免正极进一步升高电压产氧和负极析锂。

电聚合短路法：在电解液中添加一种聚合物单体分子，当正极电势提高到一定程度时，单体分子会转化成自由基并在与电解液聚合沉积在正极上，沉积物会逐渐生长并最终造成正负极内短路。

电解液中增加氧化还原电对添加剂，过充时，该添加剂会在正极被氧化，然后又扩散至负极被还原，如此循环反复，不断消耗掉过充的能量。

氧化还原电对添加剂原理
综合上述的改善方法，“切”的问题主要在于PTC与电芯材料的兼容性，而“疏”的问题不仅在于材料兼容性，同时也需要考虑释放掉的电能会转化成电芯热能引发电芯进一步产热的问题。
针对“正极产氧”的改善
正极过充后不产或者少产氧，一个方向是直接从材料角度入手，选择在高电压下依旧可以稳定存在磷酸铁锂或者锰酸锂。

磷酸铁锂过充几乎不产氧，故不存在Ⅲ、Ⅳ阶段

另外一个方向是对正极进行包覆或掺混，例如在钴酸锂表面包覆AlPO4或者物理掺混其它安全性更高的正极，也会一定程度的提高正极稳定性。而对于三元材料而言，一般将其制作成单晶颗粒来提高高电压状态的稳定性。

针对“负极析锂”的改善
想让正极过多的锂离子来到负极后不至于析出，最直接的方法就是提高负极过量。其次也需要注意负极和电解液的离子导通性，避免电池在大电流过充下由于锂离子无法及时嵌入而析锂。

从上图可知，提高过充电倍率，会略微降低热失控时充入的容量，主要原因是大倍率充电条件下析锂更为严重，同时产生的焦耳热也更多。

针对“氧与锂接触”的改善
之前做过充测试时一直有一个困惑：明明电芯温度还不到100度，怎么就突然起火了呢？后来才了解到，过充是否起火的决定性因素不在于温度，而在于产氧和析锂的严重程度，当二者的量在电芯内部达到一定浓度时，即便只有室温，也是非常危险的，

避免氧和锂接触的可能方法是在电芯封装位置增加排气阀门，或者对软包电池降低部分位置的封印强度，当内部气压升高时将氧气排出。

疑惑：
过充期间的电解液分解对电池热失控影响大吗？
严苛条件的过充可以让电芯电压轻松突破5V，这已大幅超越了电解液的稳定电压（详情可参考一张图看懂锂离子电池的全电压特性），电解液在高压下会产生CO、CO2、CH4、C2H4等气体，同时链状酯DMC、DEC也会在高温下气化。

但是根据文武的一次实验（负极过量80%时，高能量密度设计钴酸锂电池过充未起火未爆炸）可知，即便电解液高电压分解这些产物遇到了钴酸锂分解产生的氧气，也不足以必然造成起火，因为过充后电芯温度仅为100℃左右，与热冲击、针刺等产生的高温不可同日而语。因此，电解液过充后产物更多的是在电池已经热失控后“火上浇油”，却并不能起到“雪中送炭”的作用。

单纯的负极析锂且正极不产氧会造成过充热失控吗？
在本文中，文武将过充热失控的原因归结为“正极产氧+负极析锂”的共同结果，并在上一段中介绍了单纯正极产氧不至于产生热失控，那么单纯负极析锂会造成热失控吗？

比较接近这一状态的实验方案为111三元+石墨，111三元材料在高电压下的稳定性要显著强于钴酸锂，因而在过充时可能出现不产氧但同时造成负极析锂的情况。根据经验我们知道，三元电池有较低的概率通过过充测试，一些安规设计电池也是采用三元+防过充电解液来通过严苛的过充测试，说明单纯析锂的风险要比析锂+产氧小很多，因此本文并未将该项目单独列出。

需要补充的是，当隔膜拥有较高的穿刺强度时，可以延后析锂对隔膜的刺穿和由析锂造成的电芯内短路，因此也对过充有一定的改善效果（前提是正极基本不产氧）。

过充电总结
失效原理：正极过充产氧与负极析锂擦出的火花
关键改善点：正极高电压的稳定性，提高负极过量
可能改善点：切断充电回路，释放充电能量，更高穿刺强度的隔膜
头脑风暴改善点：释放产生的氧气
05过放电

测试条件
将锂离子电池放电至0V或负电压

失效原理
电芯严重过放后，负极铜箔溶解后会析出到正极表面，存在刺穿隔膜并引发内短路的风险。
但由于铜析出时产热不多、析出的铜相对锂而言不易产生危险性很大的枝晶、铜的活性差这几个原因，过放的风险远小于过充，是一种比温和的安规测试。

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