電池內(nèi)短路是指電池單體正負(fù)極材料由于隔膜失效而直接接觸的情況，同時伴隨著產(chǎn)熱現(xiàn)象的發(fā)生。內(nèi)短路通常包含四種形式，如圖 1所示，分別為：①正極涂層-負(fù)極涂層類型內(nèi)短路；②正極集流體-負(fù)極涂層類型內(nèi)短 路；③正極-負(fù)極集流體類型內(nèi)短路；④負(fù)極集流體-正極集流體類型內(nèi)短路。

圖1  電池中鋰枝晶導(dǎo)致的四種內(nèi)短路類型

表1  四種內(nèi)短路類型對比

圖2  四種短路類型產(chǎn)熱和溫升對比          

1) 正極涂層-負(fù)極涂層內(nèi)短路

由于電池正極和負(fù)極材料的導(dǎo)電能力均顯著低于金屬材料，所以正極-負(fù)極導(dǎo)電能力是四種內(nèi)短路類型中最差的，其產(chǎn)熱能力很低。同時，由于電池正極材料和負(fù)極材料的導(dǎo)熱能力也都顯著低于金屬材料，所以正極-負(fù)極內(nèi)短路的散熱能力也很差。雖然正極-負(fù)極內(nèi)短路的散熱能力很差，但由于其產(chǎn)熱能力很低，所以總體上，正極-負(fù)極內(nèi)短路對電池的加熱（溫升）作用較弱。 

2) 正極集流體鋁-負(fù)極涂層內(nèi)短路

負(fù)極材料的導(dǎo)電能力雖遠(yuǎn)低于金屬材料，但依然顯著高于正極材料。因此，鋁-負(fù)極內(nèi)短路的導(dǎo)電性能雖然差于鋁-銅內(nèi)短路，但是高于正極-負(fù)極內(nèi)短路和正極銅內(nèi)短路，其產(chǎn)熱能力較高。負(fù)極材料的導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)低于金屬材料，且鋁的導(dǎo)熱能力低于銅，導(dǎo)致鋁-負(fù)極內(nèi)短路的整體散熱能力較差。因為鋁-負(fù)極內(nèi)短路的產(chǎn)熱能力較高，且散熱能力較差，所以鋁-負(fù)極內(nèi)短路對電池的加熱作用很強，是四種類型內(nèi)短路中最高的。

3) 正極涂層-負(fù)極集流體銅內(nèi)短路

受到電池正極材料導(dǎo)電性能的限制，正極-銅內(nèi)短路的導(dǎo)電性能較差，因此，正極-銅內(nèi)短路的產(chǎn)熱能力較低。正極材料的導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)低于金屬材料，但由于銅的導(dǎo)熱能力強，因此正極-銅內(nèi)短路整體的散熱能力較好。因為正極-銅內(nèi)短路的產(chǎn)熱能力較低，且散熱能力較好，所以正極-銅內(nèi)短路對電池的加熱作用很弱，是四種類型內(nèi)短路中最低的。     

4) 正極集流體鋁-負(fù)極集流體銅內(nèi)短路

由于金屬材料具有良好的導(dǎo)電性，所以鋁-銅內(nèi)短路的導(dǎo)電能力很強，其產(chǎn)熱能力很高。同時由于金屬材料具有良好的導(dǎo)熱能力，所以鋁-銅內(nèi)短路整體的散熱能力很強。雖然鋁-銅內(nèi)短路的產(chǎn)熱能力很高，但是由于其散熱能力很強，可以及時將熱量散去，所以總體上，鋁-銅內(nèi)短路對電池的加熱作用較強，但低于鋁-負(fù)極內(nèi)短路。          

表2  電池部件的關(guān)鍵材料性能

誘導(dǎo)電池內(nèi)短路的產(chǎn)生甚至發(fā)展到熱失控的因素通?？梢苑譃槿N：機械濫用、電濫用和熱濫用。機械濫用一般指電池受到外力沖擊從而導(dǎo)致了物理變形，如受到外力碰撞被擠壓變形，或直接被異物刺穿等情況，這些情況都可能會導(dǎo)致電池內(nèi)部隔膜破損，正負(fù)極直接接觸；電濫用通常是指由過充、過放等引起的電池內(nèi)部析鋰，造成鋰枝晶生長至穿透隔膜，電池正負(fù)極直接相連。熱濫用通常由于電池外部環(huán)境溫度過高，或者電池不當(dāng)使用導(dǎo)致局部溫度過高，因而引發(fā)內(nèi)部產(chǎn)生大量副反應(yīng)，產(chǎn)生了大量熱量導(dǎo)致溫度升高，隔膜失效，熱失控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生。其中，鋰枝晶刺破隔膜導(dǎo)致的內(nèi)短路由于其形成于電池生命周期內(nèi)，會比其他熱失控的誘因更加難以監(jiān)測和預(yù)防。    

參考文獻(xiàn)

[1]張妹. 高比能鋰電池的內(nèi)短路特性分析, 北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2023

[2]張明軒. 汽車動力電池系統(tǒng)內(nèi)短路問題研究, 清華大學(xué)博士學(xué)位論文, 2018     

下面內(nèi)容是鋰電池四種內(nèi)短路類型的有限元模擬結(jié)果展示及其模型構(gòu)建過程。采用comsol軟件中的鋰離子電池和固體傳熱模塊建立了電池短路模型，模擬四種類型的內(nèi)部短路對電池溫度的影響。 

模型簡介  

幾何模型采用二維軸對稱，如圖3所示，四種內(nèi)部短路通過鋰枝晶與各部件的接觸來實現(xiàn)。模型的基本單元主要包括負(fù)極集流體(Cu)、負(fù)極、隔膜、正極和正極集流體(Al)五個部分，此外包包括造成內(nèi)部短路的鋰枝晶（圖中紅色部分）。電池的正負(fù)極分別都包括電極顆粒和電解液兩部分，即電池的正極、負(fù)極都是固、液兩相的疊加。電池模型的基本理論基礎(chǔ)是多孔電極理論和濃溶液理論，用一系列代數(shù)方程組、偏微分方程等來描述鋰電池內(nèi)部鋰離子的遷移、擴散現(xiàn)象和活性顆粒表面的電化學(xué)反應(yīng)等。         

圖3  電池內(nèi)部短路幾何模型

電池在進(jìn)行充放電的過程中，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的同時也伴隨著熱量的產(chǎn)生和消散，熱量的改變會引起電池溫度的變化，電池溫度的改變又進(jìn)一步影響電化學(xué)反應(yīng)，因此本文引入熱模型來描述電池產(chǎn)熱以及傳熱的過程。電池產(chǎn)熱主要包括反應(yīng)熱，正、負(fù)極集流體、鋰枝晶材料上的焦耳熱以及極化熱。在考慮這些產(chǎn)熱源的同時，忽略電池表面的輻射熱。 

模擬結(jié)果

正極涂層-負(fù)極涂層內(nèi)短路模擬結(jié)果如圖4-圖6所示，短路之后，電池初始電壓4.0V快速下降至3.96V左右，然后緩慢下降，至0.1s時電壓下降至3.95V（圖4）。與此同時，電池中的最高溫度先由初始的20℃快速上升至38℃，然后緩慢上升，至0.01s時溫度達(dá)到至45℃，再幾乎保持不變，略有下降（圖5）。0.01s時刻的溫度分布如圖6所示，溫度主要集中在鋰枝晶及其周圍。    

圖4  電池電壓下降過程

圖5  電池最高溫度演變過程    

圖6  電池內(nèi)溫度演變分布

正極集流體鋁-負(fù)極涂層內(nèi)短路模擬結(jié)果如圖7-圖9所示，短路之后，電池初始電壓4.0V快速下降至3.45V左右，然后緩慢下降，至0.1s時電壓下降至3.30V（圖7）。與此同時，電池中的最高溫度先由初始的20℃快速上升至190℃，然后緩慢上升，至0.01s時溫度達(dá)到至210℃，再開始緩慢下降（圖8）。0.01s時刻的溫度分布如圖9所示，溫度主要集中在鋰枝晶與負(fù)極涂層接觸點周圍。    

圖7  電池電壓下降過程

圖8  電池最高溫度演變過程    

圖9  電池內(nèi)溫度演變分布

正極涂層-負(fù)極集流體內(nèi)短路模擬結(jié)果如圖10-圖12所示，短路之后，電池初始電壓4.0V快速下降至3.955V左右，然后緩慢下降，至0.1s時電壓下降至3.945V（圖10）。與此同時，電池中的最高溫度先由初始的20℃快速上升至35℃，然后緩慢上升，至0.01s時溫度達(dá)到至38℃，再幾乎不變，略緩慢下降（圖11）。0.01s時刻的溫度分布如圖12所示，溫度主要集中在鋰枝晶與正極涂層接觸點周圍。    

圖10  電池電壓下降過程

圖11  電池最高溫度演變過程    

圖12  電池內(nèi)溫度演變分布

正極集流體-負(fù)極集流體內(nèi)短路模擬結(jié)果如圖13-圖15所示，短路之后，電池初始電壓4.0V快速下降至0V（圖13）。與此同時，電池中的最高溫度先由初始的20℃快速上升至52℃，然后開始下降（圖14）。0.0001s時刻的溫度分布如圖15所示，溫度主要集中在鋰枝晶與上。    

圖13  電池電壓下降過程

圖14  電池最高溫度演變過程    

圖15  電池內(nèi)溫度演變分布

對比四種內(nèi)短路的模擬結(jié)果可知：

最高溫度從大到小排序為：正極集流體鋁-負(fù)極涂層接觸短路（210℃）> 正極集流體-負(fù)極集流體接觸短路（52℃）> 正極涂層-負(fù)極涂層接觸短路（45℃）> 正極涂層-負(fù)極集流體接觸短路（38℃），模擬獲得的排序結(jié)果與前面文獻(xiàn)一致。

電壓下降值從大到小排列為：正極集流體-負(fù)極集流體接觸短路（4.0 V => 0 V）> 正極集流體鋁-負(fù)極涂層接觸短路（4.0 V => 3.3 V）> 正極涂層-負(fù)極集流體接觸短路（4.0 V => 3.945 V）> 正極涂層-負(fù)極涂層接觸短路（4.0 V => 3.95 V）。    

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