鋰離子電池在擠壓過程中銅箔破碎現(xiàn)象

鋰離子電池在擠壓過程中銅箔破碎現(xiàn)象對(duì)于動(dòng)力電池而言，安全性和電性能同樣重要。在電動(dòng)汽車使用過程中如果發(fā)生碰撞等高能量事故，可能會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生嚴(yán)重的形變，從而造成鋰離子電池發(fā)生內(nèi)部短路等嚴(yán)重的安全問題。在鋰離子電池發(fā)生內(nèi)短路時(shí)，整個(gè)電池組的能量會(huì)在內(nèi)通過短路點(diǎn)進(jìn)行釋放，從而引起局部溫度快速升高，繼而引起正負(fù)極活性物質(zhì)、電解液等分解，導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生熱失控。為了保證鋰離子電池在上述情況下的安全性，人們?cè)O(shè)計(jì)了嚴(yán)苛的擠壓測(cè)試考察鋰離子電池在發(fā)生巨大形變時(shí)電池的安全性能。研究顯示，在擠壓測(cè)試過程中，首先會(huì)發(fā)生電極的變形和均勻位移，隨著變形程度的增加，進(jìn)而導(dǎo)致集流體沿著度滑移線發(fā)生滑移，最后隔膜因?yàn)樽冃纬潭冗^大，導(dǎo)致隔膜失效，引起更大面積短路發(fā)生。

一旦內(nèi)短路發(fā)生，則可能導(dǎo)致鋰離子電池?zé)崾Э?，產(chǎn)生的高溫會(huì)燒毀電池，即便是沒有發(fā)生熱失控，局部的高溫仍然會(huì)將集流體、隔膜等部分融化，因此研究鋰離子電池在擠壓測(cè)試中的結(jié)構(gòu)變化一直是一個(gè)難點(diǎn)。美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的等利用技術(shù)對(duì)鋰離子電池在擠壓測(cè)試過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行了研究，首次發(fā)現(xiàn)銅箔在擠壓測(cè)試中會(huì)產(chǎn)生微觀的碎片，而這些碎片很難通過傳統(tǒng)光學(xué)和電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)，而這些隱藏的銅箔碎片可能會(huì)對(duì)鋰離子電池的電性能和熱失控行為產(chǎn)生顯著的影響，值得我們深入研

究。實(shí)驗(yàn)中采用的為商用鈷酸鋰電池，電芯采用卷繞結(jié)構(gòu)，尺寸為'’5為了保證鋰離子電池在擠壓測(cè)試中不至于發(fā)生熱失控，將電池的電量控制在以內(nèi)，下圖為電池進(jìn)行擠壓測(cè)試后電芯的結(jié)構(gòu)，其中圖沒有經(jīng)過擠壓時(shí)電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖為擠壓測(cè)試后電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從圖上可以看到，擠壓測(cè)試后電極發(fā)生了對(duì)稱的折疊和褶皺現(xiàn)象，并且一些電極層發(fā)生了彎曲在電極層之間產(chǎn)生較大的間隙。^0口口間行III陶urrinum |ini1DOOOpm^0口口間行III陶urrinum |ini1DOOOpm下圖為局部放大的圖像，從圖上可以注意到，在嵌切方向電極發(fā)生了嚴(yán)重的折疊和形變，通過圖和圖對(duì)比可以看到，電池在擠壓后銅箔表面產(chǎn)生了大量的裂紋。對(duì)上述實(shí)驗(yàn)后的電池進(jìn)行拆解，如下圖所示，可以看到在受到擠壓處的中間位置有一個(gè)短路點(diǎn)，但是通過光學(xué)觀察負(fù)極表面并沒有出現(xiàn)明顯的裂紋現(xiàn)象。但是利用射線照相技術(shù)，則觀察到了銅箔內(nèi)形成了大量的裂紋，如下圖所示，但是當(dāng)將上述的電極用進(jìn)行觀察時(shí)，僅觀察到了少量的電極破碎情況。這表明雖然銅箔產(chǎn)生了大量的裂紋，但是由于石墨負(fù)極涂層較厚，因此電極表面并不會(huì)產(chǎn)生明顯的裂紋，因此利用光學(xué)和等手段并不能很好的觀測(cè)到銅箔的破碎情況，但是射線的穿透性很好，石墨幾乎不會(huì)遮擋射線，而銅箔會(huì)對(duì)射線形成有效遮擋，因此射線成像技術(shù)能夠很好的顯示銅箔在受到擠壓時(shí)的破碎情況。銅箔上產(chǎn)生裂紋的原因可能是因?yàn)殂~箔的韌性較差，在受到垂直方向擠壓時(shí)非常容易產(chǎn)生裂紋，至于銅箔脆化的原因后續(xù)還需要繼續(xù)研究，這可能與加工過程、電極碾壓過程中殘存的應(yīng)力有關(guān)。破碎的銅箔可能會(huì)對(duì)鋰離子電池產(chǎn)生以下幾個(gè)方面的影響。）首先，破碎的銅箔無法在承擔(dān)起集流體的作用，導(dǎo)致局部活性物質(zhì)與導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)失去有效連接。）活性物質(zhì)和電解液會(huì)填充到破碎銅箔的縫隙中，但它們都不是好的電子導(dǎo)體和熱導(dǎo)體，因此在此處發(fā)生短路時(shí)，熱量也很難快速傳導(dǎo)出去。）受到擠壓的區(qū)域，由于活性物質(zhì)與導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)接觸變差，因此導(dǎo)致活性降低，或者不能參加充放電反應(yīng)，引起鋰離子電池容量降低。）破碎的銅箔會(huì)使得負(fù)極的機(jī)械性能降低）電池在擠壓測(cè)試中最終失效主要是由正極和隔膜失效引起。）在短路發(fā)生的初期，主要是箔/正極活性物質(zhì)與負(fù)極的銅箔碎片/石墨活性物質(zhì)發(fā)生接觸。上述研究對(duì)于我們理解鋰