轴向压力导致18650电池失效的机理研究-第2页-北极星储能网

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18650电池主要由三部分组成：安全阀、卷芯和低碳钢外壳。安全阀通常由正温度系数材料、铝安全阀和不锈钢正极端子、气体密封垫等组成，电芯由正极、负极和隔膜组成，在本试验中正极的活性物质的成分为LiCoO2。轴向载荷的加载速度为5mm/min，所有的试验电池在试验之前都已经完全放电(SOC=0)。测试结果显示，18650电池在轴向压力测试中压力呈现出缓慢上升——快速上升——轻微下降——快速上升的趋势，而电压测试显示，18650电池在变形达到4mm的情况下才会发生失效，而且通过试验发现，18650电池的电压突降主要是由于电池内部短路造成的，而不是内部结构的断路。为了研究18650在轴向压力下失效的机理，Juner Zhu还利用有限元软件对其进行了分析，模型中的材料主要采用了弹塑性模型，并且考虑了各种材料的各向异性的特点，模型中包涵了上百万的计算单元，轴向载荷的加载速度被设置为1m/s。仿真结果再现了在轴向载荷的情况下，18650电池变形的经过。首先电池的上盖区域的壳体开始发生塑性变形，在变形程度超过1mm后，变形的外壳开始挤压电池卷芯的上部，随着变形程度的增加，电芯开始出现变形，从而在压力曲线上出现了一个轻微的下降，然后随着电池壳体与电芯的接触面积的增加，使得压力曲线呈现了一个快速上升的趋势。CT扫描结果也很好的验证了上述分析，试验电池的变形主要发生在上部结构中，电池下改几乎没有发生变形。

图片来自参考文献

对试验后的18650电池进行拆解显示，虽然电芯发生了严重的变形，但是正负极并没有发生断裂，反而是隔膜在距离上部边缘1.3mm的位置出现了一个裂缝，这直接导致了电池发生短路，电压突降，而这一裂缝可能是由于金属箔锋利的边缘侵入造成的。此外隔膜的在一些位置厚度出现了很大的下降，这主要是由于凹陷的外壳挤压电芯造成的。

从上述分析结果来看，轴向压力下导致18650电池短路的可能原因主要有以下几点。

1. 外壳通过破裂的隔膜与正负极接触

2. 正负极通过破裂的隔膜接触

3. 正负极通过隔膜变薄的区域接触

4. 安全阀被挤压，与电芯接触

从测试结果来看，当18650电池轴向变形达到4mm时就会引发内短路，因此需要在电池组安全设计的时候特别考虑。此外由于在轴向压力时变形主要发生在18650电池的上部，因此对18650电池上部的安全设计也要特别在意。

延伸阅读：

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原标题：[天鹏 · 前沿] | 轴向压力导致18650电池失效的机理研究

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