相對于圓柱形和方形電池，軟包裝鋰電池因尺寸設計靈活、能量密度高等優勢，應用越來越廣泛。短路測試是評價軟包裝鋰電池的一種有效手段。本文通過分析電池短路測試的失效模型，找出影響短路失效的主要因素；通過進行不同條件的實例驗證，分析失效模型，提出了改善軟包裝鋰電池安全性的建議。

1 短路測試模型分析

在短路測試中，待測電池通過導線與外部電阻連接，利用開關控制閉合，如圖1所示。其主要特點是回路內瞬間通過大電流，產生焦耳熱，并在幾秒的時間內持續累積，對測試電池造成熱量沖擊。通常在電池表面的中央位置裝配熱電偶來記錄溫度變化。

圖 1 軟包裝鋰電池的短路測試回路示意圖

短路測試的回路主要分為四個部分：電芯、正極耳、負極耳和外部電阻。其中，電芯由集流體、電極物質、電解液和隔膜等部件組成，正極耳為含膠金屬鋁帶，負極耳為含膠金屬鎳帶或銅鍍鎳帶。回路總電阻由上述四部分電阻串聯組成，需要注意的是電芯電阻為直流內阻，而非交流內阻。開關閉合后，電池開路電壓作用在四部分電阻上，產生較大的瞬間電流，并轉換成熱量釋放。

短路瞬間的電流可通過歐姆定律計算，如式（1）：

式中：i為短路瞬間電流；OCV為短路前的電池開路電壓；R1、R2、R3和R4分別為電芯電阻、正極耳電阻、負極耳電阻和外部電阻。

另一方面，軟包裝鋰電池的結構特點是電芯采用鋁塑材料進行封裝，即通過邊緣處鋁塑的熱熔粘合實現內部材料與外部環境的隔絕。在正、負極耳位置，一般采用極耳膠過渡的方法來封裝。然而，該位置通常是封裝薄弱區域（見圖1），在通過較大熱量時存在熔化和開裂的風險。一旦該處封裝開裂，電解液有可能發生泄漏，并在一定的條件下發生起火甚至爆炸等安全事故。溫度是影響封裝可靠性及是否起火的重要因素，通常會隨著溫度的升高而增大電池失效發生概率，因此短路測試中需要關注環境溫度的影響。

2 商品化電池實測評估

2.1 測試樣品與方法

為驗證短路測試模型分析并考察不同測試條件的影響，采用某款商品化3Ah軟包裝鋰電池進行測試。該款電池正極活性物質為鈷酸鋰，負極活性物質為人造石墨。短路測試中的外部電阻采用兩種規格，分別為低阻值36mΩ和高阻值77mΩ。環境溫度分別為室溫23℃和高溫55℃。

電池在短路前充電至4.4V滿電狀態，并測量開路電壓。對于高溫測試，待電池表面溫度達到55℃后進行短路。開路電壓通過電池測試儀（HIOKI BT3562）測量，短路后電壓數據通過TJE數據采集系統（ETDAS-220）采集，表面溫度通過K型熱電偶測量。電芯的直流內阻采用Arbin設備（BT-2000）通過大電流脈沖的方法測量。

2.2 測試結果與討論

圖2中顯示了不同測試條件下電池表面溫度隨時間的變化曲線。當閉合開關后，電池表面溫度在短路瞬間開始迅速上升，達到最高溫度后又逐漸降至室溫。圖2中由a和b對比可知，室溫條件下，使用不同阻值的外部電阻，電池的溫度曲線表現出明顯差異。

圖 2 不同測試條件下的電池表面溫度曲線

當外接低阻值時，表面溫度在約160s后達到最高值116℃ ；當外接高阻值時，表面溫度在約300s后達到最高值113℃。即電池表面的升溫速度取決于外部電阻，外接電阻越小，電池升溫越快。這是由于使用小電阻時，回路內的短路瞬間電流更大，瞬間釋放的熱量更多。另一方面，盡管升溫速率不同，但短路后電池表面的最高溫度十分接近，這表明短路后電池釋放的能量與外部電阻沒有直接關系。由c和d對比可發現，短路后的表面溫度升高趨勢與室溫條件的測試相同。然而，電池表面升溫速率并沒有隨外接電阻的不同而體現出明顯差異。這可能是由于環境溫度較高，補償了電池自身因電流不同所產生焦耳熱的差別。同時，外接不同電阻時，電池表面的最高溫度不同。外接低阻值時，電池表面溫度最高為78℃；外接高阻值時，表面溫度最高為111℃。

為了估算短路瞬間的電流值，需要對電芯和正、負極耳的電阻進行測量和計算。在0.1C電流放電過程中，當達到一定的荷電狀態（SOC）時改用1C電流放電1s，通過1C電流放電前后的電壓和電流差值計算電芯直流內阻，結果列于表1中。

表 1 電池在不同荷電狀態下的直流內阻

可以看到，直流內阻隨著SOC的升高而減小，即電池在高電壓下具有更小的直流內阻。需要注意的是，直流內阻隨SOC的升高并不是線性變化的，而是表現為緩慢降低。如當SOC從10%升高至20%，直流內阻降低了約6.4%；而當SOC繼續從20%升高至70%，直流內阻僅降低了約2.9%。而當電池在100%SOC（即滿電狀態）時，直流內阻會比70%時略有降低。為簡便起見，本文中采用70%SOC時的直流內阻來估算短路電流值。

電池正、負極耳的電阻可通過電導率公式計算：

式中：R為電阻；ρ為電阻率；l、w和t分別為極耳的長度、寬度和厚度。

測得電池的極耳電導率和尺寸信息列于表2中。通過計算可得，正極耳電阻約為3mΩ，負極耳電阻約為8mΩ。

表 2 正負極耳的電阻計算

根據公式（1）估算短路瞬間的電流值，結果列于表3中。可以看到，當采用低阻值時，短路瞬間電流可高達約40A；當采用高阻值時，電流可高達約28A。這相當于電池在瞬間內分別通過了約13.3C和9.3C的電流。

表 3 短路瞬間的電流值估算及失效現象

考慮到電池在短路瞬間的電芯電阻要小于70%SOC時的電阻，回路中通過的實際電流還會略大于上述估算值。根據焦耳定律可知，在一定的內阻和時間條件下，瞬間釋放的焦耳熱與電流的平方成正比。因此，當外接大電阻時，短路瞬間的電流相對較小，伴隨釋放較少的焦耳熱，通過短路測試的概率也就越高。另外，室溫測試的電池表面升溫速率明顯不同，外接大電阻時的升溫速率要慢于外接小電阻時的情況。

3 短路失效機理分析

3.1 失效過程

軟包裝鋰電池的短路失效通常包括漏液、開裂、起火和爆炸等現象，如圖3所示。漏液和開裂一般發生在極耳封裝薄弱區域，測試后可觀察到該處的鋁塑封裝開裂；起火和爆炸是危害性更大的安全事故，而起因通常是鋁塑開裂后，電解液在一定條件下發生劇烈反應。因此，對于軟包裝鋰電池的短路測試，鋁塑材料的封裝狀況是造成失效的關鍵因素。

圖 3 漏液、開裂和起火短路失效現象

在短路測試中，電池的開路電壓瞬間降為零，同時回路內通過大電流并產生焦耳熱。根據式（3）可知，焦耳熱的大小取決于電流、電阻和時間三個因素。雖然短路電流存在的時間很短，但由于電流較大仍然可產生很大的熱量。該部分熱量在短路后的較短時間內（通常為幾分鐘）逐漸釋放，引起電池溫度的升高（見圖2）。隨著時間的延長，焦耳熱主要散失到環境中，電池溫度也開始下降。因此推測，電池的短路失效主要發生在短路瞬間及其后較短的時間內。

在短路瞬間，電流流經電芯內部和正、負極耳所引起的溫度升高是不同的。以55℃短路測試為例，用紅外成像的方法檢測短路瞬間的各部分溫度，結果如圖4所示，圖4中P1、P2和P3分別標記負極耳、正極耳和電池表面位置。經檢測可知，短路瞬間的負極耳溫度為215.9℃，正極耳為90.4℃ ，而電池表面為52.0℃，即負極耳溫度遠高于正極耳和電池表面。這表明負極耳處是相對容易發生封裝開裂的位置，該結果與圖4中的現象是一致的。

圖 4 短路測試電池的紅外成像照片

軟包裝鋰電池在短路測試時往往發生產氣鼓脹的現象，這可能是由以下原因引起。首先是電化學體系的不穩定性，即大電流通過電極與電解液界面時造成了電解液的氧化或還原分解，氣體產物充斥在鋁塑封裝內。該原因引起的產氣鼓脹在高溫條件下表現得較為明顯，因為電解液分解副反應在高溫下更容易發生。另外，電解液即使不發生分解副反應，也可能在焦耳熱的作用下發生部分氣化，尤其是蒸汽壓低的電解液成分。該原因引起的產氣鼓脹對于溫度較為敏感，即電池溫度降至室溫時鼓脹基本消失。然而，無論是哪種原因引起的產氣，短路時電池內部的氣壓升高均會加劇鋁塑封裝的開裂，增大失效的概率。

短路瞬間的大電流對鋰電池的電化學體系也會造成一定的影響。鋰電池的電極通常由活性物質、粘結劑和導電劑等材料組成。活性物質用來進行鋰離子的嵌入和脫出，其外形是一次或二次結構的顆粒，并通過粘結劑粘結到一起。較大的電流會對顆粒聚集體造成沖擊，引發多種力學失效，表現為局部粘結性降低，甚至活性物質顆粒脫落。在這種情況下，電池內部容易發生微短路，因而引起局部溫度升高以及增大短路失效的風險。

3.2 設計改善

基于短路失效的過程與機理分析，軟包裝鋰電池的安全性可從以下幾個方面進行改善：優化電化學體系，降低正、負極耳電阻，提高鋁塑封裝強度。優化電化學體系可從正負極活性材料、電極配比和電解液等多個角度進行，從而提高電池對瞬時大電流和短時高熱量的承受能力。降低極耳電阻可以減少該處的焦耳熱產生及累積，從而降低對封裝薄弱區域的熱量沖擊。提高鋁塑封裝強度可以通過優化電池制造過程中的參數來實現，從而降低發生開裂、起火和爆炸等失效的概率。

在上述方法中，降低極耳電阻可通過更換極耳材料實現，是比較簡單易行的。由于負極耳是溫度較高的位置，因此將負極耳由常用的鎳帶替換為銅鍍鎳帶，后者的電阻約為前者的五分之一。分別采用鎳帶負極耳和銅鍍鎳帶負極耳電池進行55℃短路測試，結果如圖5所示。

圖 5 鎳極耳與銅鍍鎳極耳短路測試對比

4 結語

本文針對軟包裝鋰電池的短路測試，進行了模型分析及商品化電池在不同條件下的實際測試，討論了外接電阻和環境溫度對短路測試的影響，并通過分析回路中電芯和正、負極耳的電阻，估算了短路瞬間的電流值。短路失效過程表明鋁塑材料的封裝開裂是引起各種失效的重要原因。基于短路測試的失效機理，可通過優化電化學體系、降低極耳電阻和提高封裝強度等方法來改善軟包裝鋰電池的安全性。

審核編輯 ：李倩