內(nèi)短路是鋰離子電池最為嚴(yán)重的安全事故，一旦鋰離子電池發(fā)生內(nèi)短路則會(huì)在短路點(diǎn)附近短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量，從而引發(fā)連鎖反應(yīng)，最終導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生熱失控。機(jī)械濫用測試是檢驗(yàn)鋰離子電池在內(nèi)短路安全性的有效方法，而擠壓測試和針刺測試是模擬鋰離子電池發(fā)生內(nèi)短路的常用方法。

美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的JoshuaLamb（第一作者，通訊作者）采用鈍頭細(xì)桿擠壓的方式觸發(fā)鋰離子電池發(fā)生內(nèi)短路，這種方法只會(huì)造成電池最外幾層的電極發(fā)生短路，而不會(huì)對鋰離子電池造成嚴(yán)重的損害，研究發(fā)現(xiàn)圓柱形鋰離子電池中間的支撐鋼芯對于鋰離子電池的內(nèi)短路行為有著重要的影響。

常規(guī)的針刺測試會(huì)在短時(shí)間內(nèi)穿透多層電極，造成大面積的短路，而常規(guī)擠壓測試雖然能夠引起局部發(fā)生短路，但是會(huì)對鋰離子電池的結(jié)構(gòu)造成巨大的破壞，因此這兩種傳統(tǒng)的內(nèi)短路模擬方法都不能很好的對鋰離子電池內(nèi)短路行為進(jìn)行還原。作者在這里采用了由美國保險(xiǎn)協(xié)會(huì)和NASA共同開發(fā)的一種鈍頭細(xì)桿擠壓的方法對鋰離子電池進(jìn)行測試，這種方法能夠使得鋰離子電池發(fā)生內(nèi)短路，但是又不會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生嚴(yán)重的損壞，因此能夠更好的模擬鋰離子電池發(fā)生內(nèi)短路的情況。

實(shí)驗(yàn)中作者作者共采用三種電池，一款來自LG的ICR18650 S3電池，容量為2200mAh，一款來自松下的CGR18650CG電池，容量2200mAh，一款來自AA移動(dòng)電源公司的軟包電池，容量3000mAh。其中兩款18650電池的CT掃描結(jié)構(gòu)如下所示，從圖中能夠看到兩者之間主要差別體現(xiàn)在松下公司的18650電池中間存在鋼芯，對電池起到支撐作用。

實(shí)驗(yàn)中采用的鈍頭細(xì)桿結(jié)構(gòu)如下圖所示，細(xì)桿的直徑為3mm，擠壓的速度2mm/min，直到電池的電壓下降100mV擠壓停止，擠壓的方向分別設(shè)置為水平擠壓和垂直擠壓。

下圖為在垂直方向上對LG的18650電池進(jìn)行擠壓測試，從圖中能夠看到在擠壓開始的時(shí)候并沒有對電池的電壓和溫度產(chǎn)生顯著的影響，直到擠壓的深度達(dá)到了10.7mm，電池突然發(fā)生硬短路，電池電壓突然降低，隨后電池溫度急劇升高，最高達(dá)到470℃，電池發(fā)生熱失控，CT掃描發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)部存在Al顆粒，表明熱失控時(shí)電池內(nèi)部的溫度超過了660℃。

如果我們將擠壓的方向從垂直方向變?yōu)樗椒较颍ㄈ缦聢D所示），我們能夠發(fā)現(xiàn)當(dāng)擠壓量為5.4mm時(shí)，電池突然發(fā)生硬短路，隨后電池溫度繼續(xù)升高，最高達(dá)到455℃，電池發(fā)生熱失控。

在針對LG的電池?cái)D壓測試中作者還發(fā)現(xiàn)了少數(shù)（<25%）的電池并沒有直接發(fā)生硬短路，而是發(fā)生了軟短路（如下圖所示），當(dāng)擠壓量到5.7mm時(shí)，電池電壓突然下降到1.6V左右，電池溫度最高升高到了95℃，但是當(dāng)擠壓力解除以后電池的電壓又恢復(fù)到了3.1V，表明短路點(diǎn)的阻抗比較大，同時(shí)我們從CT掃描圖能夠看到電池中心由于沒有支撐，因此電芯向內(nèi)發(fā)生了嚴(yán)重的變形，因此這可能吸收了一部分?jǐn)D壓力，從而避免了電池發(fā)生硬短路。

下圖為松下18650電池在水平方向上的擠壓測試結(jié)果，從圖中能夠看到該電池在擠壓量達(dá)到4.1mm時(shí)發(fā)生了突然的硬短路，電池迅速下降為0，電池溫度快速升高，最高達(dá)到了600℃，比LG的電池高出150℃左右，這主要是因?yàn)樗上碌?8650電池采用了熱穩(wěn)定性較差的LiCoO2材料，而LG的電池則采用了混合金屬氧化物材料（具體成分未知）。松下電池發(fā)生短路的變形量比較小主要是因?yàn)殡姵刂行闹武撔镜拇嬖谙拗屏穗姌O向內(nèi)塌縮，因此更小的變形就引起了電池內(nèi)短路。

為了驗(yàn)證這種鈍頭細(xì)桿擠壓測試的效果，作者采用傳統(tǒng)的針刺實(shí)驗(yàn)對鋰離子電池進(jìn)行了測試，從圖中能夠看到無論是電壓變化，還是溫度升高曲線，兩者都非常接近，但是LG電池在針刺測試中電池的溫度會(huì)更高（662℃），這也表明鋰離子電池在安全測試中的表現(xiàn)不僅僅與電池選擇的材料體系有關(guān)，也與選擇的測試方法有關(guān)。

下圖為LG和松下的18650電池在水平方向上采用鈍頭細(xì)桿擠壓的電池溫度和電壓變化曲線，測試時(shí)的環(huán)境溫度為60℃，從圖中能夠看到LG的電池表現(xiàn)出一個(gè)相對溫和，電池最高溫度僅為110℃左右，并且隨著壓力去掉后，電池的電壓出現(xiàn)了明顯的回升，這可能是由于在60℃較高的溫度下，電池內(nèi)部材料的機(jī)械特性出現(xiàn)了明顯的變化，特別是隔膜更容易受到溫度的影響，而LG的電池中間沒有鋼芯支撐，因此電芯能夠通過向內(nèi)塌縮的方式吸收部分形變，從而使得硬短路轉(zhuǎn)變?yōu)檐浂搪贰?/p>

相比之下，松下電池在鈍頭細(xì)桿擠壓測試中表現(xiàn)的熱失控行為更加劇烈，擠壓中電池電壓突然降低到0V，電池溫度快速升高，最高溫度達(dá)到了350℃左右，這一方面與其電芯中間存在鋼芯限制了電芯向內(nèi)塌縮變形，從而使得電池短路更為嚴(yán)重，另一方面也與松下的18650電池采用了熱穩(wěn)定性比較差的LiCoO2材料有關(guān)。

通過上述在60℃環(huán)境下的鈍頭細(xì)桿擠壓測試能夠發(fā)現(xiàn)，高溫下進(jìn)行測試的結(jié)果與常溫下進(jìn)行測試的結(jié)果存在明顯的區(qū)別，對于LG的電池，高溫使得熱失控的劇烈程度明顯降低，而松下的電池則更快的發(fā)生了內(nèi)短路。

擠壓導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)短路的機(jī)理是擠壓過程中對隔膜的破壞，因此鋰離子電池結(jié)構(gòu)對于擠壓測試的結(jié)果有很大的影響，特別是在高溫下，隔膜的強(qiáng)度降低，對于沒有鋼芯的電池而言，隔膜變軟能夠承受更大的變形，從而將內(nèi)短路的劇烈程度降低，而對于有鋼芯的電池而言，擠壓時(shí)電芯變形的空間很小，因此高溫下電池隔膜強(qiáng)度降低時(shí)，抗擠壓的能力顯著減弱，因此反而會(huì)導(dǎo)致內(nèi)短路的劇烈程度增加。