相对于圆柱形和方形电池，软包装锂电池因尺寸设计灵活、能量密度高等优势，应用越来越广泛。短路测试是评价软包装锂电池的一种有效手段。本文通过分析电池短路测试的失效模型，找出影响短路失效的主要因素；通过进行不同条件的实例验证，分析失效模型，提出了改善软包装锂电池安全性的建议。
1 短路测试模型分析
在短路测试中，待测电池通过导线与外部电阻连接，利用开关控制闭合，如图1所示。其主要特点是回路内瞬间通过大电流，产生焦耳热，并在几秒的时间内持续累积，对测试电池造成热量冲击。通常在电池表面的中央位置装配热电偶来记录温度变化。
图 1 软包装锂电池的短路测试回路示意图
短路测试的回路主要分为四个部分：电芯、正极耳、负极耳和外部电阻。其中，电芯由集流体、电极物质、电解液和隔膜等部件组成，正极耳为含胶金属铝带，负极耳为含胶金属镍带或铜镀镍带。回路总电阻由上述四部分电阻串联组成，需要注意的是电芯电阻为直流内阻，而非交流内阻。开关闭合后，电池开路电压作用在四部分电阻上，产生较大的瞬间电流，并转换成热量释放。
短路瞬间的电流可通过欧姆定律计算，如式(1)：
式中：i为短路瞬间电流；OCV为短路前的电池开路电压；R1、R2、R3和R4分别为电芯电阻、正极耳电阻、负极耳电阻和外部电阻。
另一方面，软包装锂电池的结构特点是电芯采用铝塑材料进行封装，即通过边缘处铝塑的热熔粘合实现内部材料与外部环境的隔绝。在正、负极耳位置，一般采用极耳胶过渡的方法来封装。然而，该位置通常是封装薄弱区域(见图1)，在通过较大热量时存在熔化和开裂的风险。一旦该处封装开裂，电解液有可能发生泄漏，并在一定的条件下发生起火甚至爆炸等安全事故。温度是影响封装可靠性及是否起火的重要因素，通常会随着温度的升高而增大电池失效发生概率，因此短路测试中需要关注环境温度的影响。
2 商品化电池实测评估
2.1 测试样品与方法
为验证短路测试模型分析并考察不同测试条件的影响，采用某款商品化3Ah软包装锂电池进行测试。该款电池正极活性物质为钴酸锂，负极活性物质为人造石墨。短路测试中的外部电阻采用两种规格，分别为低阻值36mΩ和高阻值77mΩ。环境温度分别为室温23℃和高温55℃。
电池在短路前充电至4.4V满电状态，并测量开路电压。对于高温测试，待电池表面温度达到55℃后进行短路。开路电压通过电池测试仪(HIOKI BT3562)测量，短路后电压数据通过TJE数据采集系统(ETDAS-220)采集，表面温度通过K型热电偶测量。电芯的直流内阻采用Arbin设备(BT-2000)通过大电流脉冲的方法测量。
2.2 测试结果与讨论
图2中显示了不同测试条件下电池表面温度随时间的变化曲线。当闭合开关后，电池表面温度在短路瞬间开始迅速上升，达到最高温度后又逐渐降至室温。图2中由a和b对比可知，室温条件下，使用不同阻值的外部电阻，电池的温度曲线表现出明显差异。
图 2 不同测试条件下的电池表面温度曲线
当外接低阻值时，表面温度在约160s后达到最高值116℃ ；当外接高阻值时，表面温度在约300s后达到最高值113℃。即电池表面的升温速度取决于外部电阻，外接电阻越小，电池升温越快。这是由于使用小电阻时，回路内的短路瞬间电流更大，瞬间释放的热量更多。另一方面，尽管升温速率不同，但短路后电池表面的最高温度十分接近，这表明短路后电池释放的能量与外部电阻没有直接关系。由c和d对比可发现，短路后的表面温度升高趋势与室温条件的测试相同。然而，电池表面升温速率并没有随外接电阻的不同而体现出明显差异。这可能是由于环境温度较高，补偿了电池自身因电流不同所产生焦耳热的差别。同时，外接不同电阻时，电池表面的最高温度不同。外接低阻值时，电池表面温度最高为78℃；外接高阻值时，表面温度最高为111℃。
为了估算短路瞬间的电流值，需要对电芯和正、负极耳的电阻进行测量和计算。在0.1C电流放电过程中，当达到一定的荷电状态(SOC)时改用1C电流放电1s，通过1C电流放电前后的电压和电流差值计算电芯直流内阻，结果列于表1中。
表 1 电池在不同荷电状态下的直流内阻
可以看到，直流内阻随着SOC的升高而减小，即电池在高电压下具有更小的直流内阻。需要注意的是，直流内阻随SOC的升高并不是线性变化的，而是表现为缓慢降低。如当SOC从10%升高至20%，直流内阻降低了约6.4%；而当SOC继续从20%升高至70%，直流内阻仅降低了约2.9%。而当电池在100%SOC(即满电状态)时，直流内阻会比70%时略有降低。为简便起见，本文中采用70%SOC时的直流内阻来估算短路电流值。
软包装锂电池的短路失效通常包括漏液、开裂、起火和爆炸等现象，如图3所示。漏液和开裂一般发生在极耳封装薄弱区域，测试后可观察到该处的铝塑封装开裂；起火和爆炸是危害性更大的安全事故，而起因通常是铝塑开裂后，电解液在一定条件下发生剧烈反应。因此，对于软包装锂电池的短路测试，铝塑材料的封装状况是造成失效的关键因素。
图 3 漏液、开裂和起火短路失效现象
在短路测试中，电池的开路电压瞬间降为零，同时回路内通过大电流并产生焦耳热。根据式(3)可知，焦耳热的大小取决于电流、电阻和时间三个因素。虽然短路电流存在的时间很短，但由于电流较大仍然可产生很大的热量。该部分热量在短路后的较短时间内(通常为几分钟)逐渐释放，引起电池温度的升高(见图2)。随着时间的延长，焦耳热主要散失到环境中，电池温度也开始下降。因此推测，电池的短路失效主要发生在短路瞬间及其后较短的时间内。
在短路瞬间，电流流经电芯内部和正、负极耳所引起的温度升高是不同的。以55℃短路测试为例，用红外成像的方法检测短路瞬间的各部分温度，结果如图4所示，图4中P1、P2和P3分别标记负极耳、正极耳和电池表面位置。经检测可知，短路瞬间的负极耳温度为215.9℃，正极耳为90.4℃ ，而电池表面为52.0℃，即负极耳温度远高于正极耳和电池表面。这表明负极耳处是相对容易发生封装开裂的位置，该结果与图4中的现象是一致的。
图 4 短路测试电池的红外成像照片
在上述方法中，降低极耳电阻可通过更换极耳材料实现，是比较简单易行的。由于负极耳是温度较高的位置，因此将负极耳由常用的镍带替换为铜镀镍带，后者的电阻约为前者的五分之一。分别采用镍带负极耳和铜镀镍带负极耳电池进行55℃短路测试，结果如图5所示。
图 5 镍极耳与铜镀镍极耳短路测试对比
