近期，關于鋰離子電動車起火爆炸的事故報道層出不窮，如何提升鋰離子電池的安全性能是材料企業、電池企業、終端車企等面臨的共同問題。分析鋰離子電池安全性能時，通常會模擬一些濫用條件，如過充、過放、擠壓、針刺、高低溫等，如圖1所示為電芯過充過程的失效示意圖3，在過充過程中會陸續發生鋰沉積、過渡金屬溶出、電解液氧化、SEI分解等反應，導致電芯發熱、脹氣甚至起火爆炸。

有關鋰離子電池的安全性能指標在已出臺的國家標準中有詳細的規定，GB 31241-2014《便攜式產品用鋰離子電池和電池組安全要求》1和GB/T 31485-2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》2中規定電池在一定的過充條件下要保證不起火、不爆炸。本文采用原位膨脹分析儀（SWE），對三種不同正極材料體系電芯（LCO/Graphite、NCM/Graphite、LFP/Graphite）進行過充條件下的膨脹厚度/溫度/內阻測試，對比分析電芯過充行為。

圖1. 鋰離子電池過充失效示意圖3

實驗設備與測試方法

1．測試設備：原位膨脹分析儀，型號SWE2110（IEST元能科技），可施加壓力范圍50~10000N。

2.測試參數：

2.1 充放電流程：25℃ 1C CC 。

2.2電芯厚度膨脹測試：將待測電芯放入設備對應通道，開啟MISS軟件，設置各通道對應電芯編號，采樣頻率，測試壓力等參數，軟件自動讀取電芯厚度、厚度變化量、測試溫度、電流、電壓、容量等數據。

原位監控鋰離子電池過充行為

1．LCO/Graphite電芯過充行為

本文所使用的LCO/Graphite電芯的理論容量為3Ah，正常電壓范圍為3~4.35V。電芯過充過程中內阻、厚度、溫度、電壓曲線如圖3(a)所示，當電壓達到5.11V，對應電量為154%SOC時，電芯內阻、溫度和厚度均出現明顯升高，開始發生產氣，從各曲線的拐點看，電芯內阻與電壓曲線拐點一致，而溫度的拐點稍早于電壓拐點，厚度拐點稍晚于電壓拐點，這說明當過充到一定電壓時，首先發生電芯溫度升高，導致電芯內阻先下降，隨著溫度的繼續升高，副反應加劇，電芯內阻增加，由于副反應產氣又進一步導致了電芯厚度急劇增加。由圖3(b)的微分容量曲線和厚度變化曲線對應關系可看出，每發生一個電化學反應就會導致電芯厚度曲線斜率的變化。因此，在電芯安全管控時要注意電芯內阻、溫度和厚度的變化，提前預警電芯起火爆炸的風險。

圖3.LCO體系電芯在過充條件下內阻、厚度、溫度和電壓曲線(a)；微分容量曲線和厚度曲線(b)；

2.LFP/Graphite電芯過充行為

本文所使用的LFP/Graphite電芯的理論容量為3Ah，正常電壓范圍為2.5~3.65V。電芯過充過程中內阻、厚度、溫度、電壓曲線如圖4(a)所示，當電壓達到4.56V，對應電量為109%SOC時，電芯內阻、溫度和厚度均出現顯著升高，開始產氣，從各曲線的拐點看，溫度的拐點稍早于電壓拐點，而內阻和厚度拐點晚于電壓拐點，這說明當過充到一定電壓時，先發生的是電芯溫度升高，導致電芯內阻先下降，隨著溫度的繼續升高，副反應加劇，電芯內阻增加，由于副反應產氣又進一步導致了電芯厚度急劇增加。由圖4(b)的微分容量曲線和厚度變化曲線對應關系可看出，每發生一個電化學反應就會導致電芯厚度曲線斜率的變化。因此，在電芯安全管控時要注意電芯內阻、溫度和厚度的變化，提前預警電芯起火爆炸的風險。

圖4.LFP體系電芯在過充條件下內阻、厚度、溫度和電壓曲線(a)；微分容量曲線和厚度曲線(b)；

3.NCM/Graphite電芯過充行為

本文所使用的NCM/Graphite電芯的理論容量為2.4Ah，正常電壓范圍為2.8~4.35V。電芯過充過程中內阻、厚度、溫度、電壓曲線如圖5(a)所示，當電壓達到4.78V，對應電量為105%SOC時，電芯內阻、溫度和厚度均出現升高趨勢，開始產氣，從各曲線的拐點看，溫度和內阻的拐點基本和電壓拐點一致，而厚度拐點晚于電壓拐點，這說明當過充到一定電壓時，先發生的是電芯溫度升高，副反應加劇，導致電芯內阻增加，由于副反應產氣又進一步導致了電芯厚度急劇增加。由圖5(b)的微分容量曲線和厚度變化曲線對應關系可看出，在正常電壓范圍內的脫嵌鋰反應不會使電芯厚度發生明顯的變化，而當電壓達到5.25V左右時，厚度突然急劇增加，此時電芯明顯產氣，從微分容量上雖沒有在5.25V看到明顯的電化學反應峰，這可能是由于充電倍率1C過大導致反應峰位不明顯。因此，在電芯安全管控時要注意電芯內阻、溫度和厚度的變化，提前預警電芯起火爆炸的風險。

圖5.NCM體系電芯在過充條件下內阻、厚度、溫度和電壓曲線(a)；微分容量曲線和厚度曲線(b)；

總結

本文采用原位膨脹分析儀（SWE）監控三種不同正極材料體系的電芯過充過程中的內阻、厚度、溫度和電壓變化，發現當過充到一定SOC時，電芯的表面溫度、內阻及厚度均出現顯著升高，若繼續過充很可能會導致電芯著火爆炸，因此在電芯安全管控時要注意電芯內阻、溫度和厚度的變化，及時采取措施防止電芯發生不可控的不安全行為。

審核編輯：劉清