6、外短路

測試條件

將正負(fù)極極耳直接用導(dǎo)體連接

失效原理

由于外接導(dǎo)體電阻很低，電芯會以非常大的倍率進(jìn)行放電，內(nèi)部溫度隨放電過程持續(xù)升高，同時(shí)可能伴有隔膜熔化和過放析銅，最終引發(fā)熱失控。

用因果鏈圖描述外短路的失效原理如下：

改善方案

針對“短路放電”的改善

如過充的改善所述，這里最常用的方法是切斷短路回路，具體而言的手段包括極耳外接PTC、涂覆熱敏材料的箔材或包覆熱敏材料的正負(fù)極活性物質(zhì)等幾種。由于短路電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于過充電流，因而短路產(chǎn)生的高溫亦明顯高于過充，因此“使用熱敏材料切斷回路”的改善方法，對短路而言更為有效。

如果不能切斷短路回路，那適當(dāng)減小短路電流也是個(gè)不錯的方案。短路電流的決定性影響因素為外接電阻阻值的高低，越高則整體短路電流越小，短路期間溫升越慢：

雖然外接電阻阻值高時(shí)延緩了升溫速度，但是電芯的最高溫度下降的并不明顯，主要原因在于短路時(shí)電芯電能基本全部轉(zhuǎn)化為電芯熱能并造成溫升，這期間散熱差異及外接電阻分擔(dān)熱量有限，因此最高溫差異不大。

同理，如果電芯自身內(nèi)阻比較大（例如卷繞相對于疊片），也可以減緩升溫速度，理論上提高短路的安全性。不過在“更好的倍率性能”和“更慢的短路溫升”間取舍的話，大部分人都會選擇前者。

針對“整體溫升”的改善

外短路造成熱失控的風(fēng)險(xiǎn)并不太高，一個(gè)原因在于電芯內(nèi)部發(fā)生的是近乎均勻的產(chǎn)熱，而非像針刺一樣的局部產(chǎn)熱，同時(shí)最高溫度也只有100℃多些，因此單純外短路造成的溫升一般不足以直接造成熱失控。

但由于溫升可能進(jìn)一步引發(fā)其它副反應(yīng)，因此刻意考慮在電芯內(nèi)部增加一些優(yōu)良的導(dǎo)熱體材料，如石墨烯、金屬片、散熱硅膠等，來加快電芯的整體散熱。

針對“電芯副反應(yīng)”的改善

電芯進(jìn)行外短路時(shí)，高溫可能引發(fā)的副反應(yīng)如下：

隔膜的收縮：外短路造成的高溫一般在130℃左右，足以造成PE隔膜的熔化，但是對PP隔膜影響不大。

與前面所講的熱沖擊類似，外短路造成隔膜熔化的結(jié)果，主要是正負(fù)極敷料直接接觸，產(chǎn)熱量并不太高，失效可能性不大。

極耳的熔斷：當(dāng)極耳的材質(zhì)為導(dǎo)電性不夠好的鋁、鎳，且橫截面積不夠大時(shí)，外短路可能造成極耳產(chǎn)熱過大熔斷。其效果雖然與PTC的切斷回路類似，但是由于可能產(chǎn)生明火，因此依舊需要改善。主要方法是采用銅基材+鍍鋁&鎳極耳。

正極析銅：電芯長時(shí)間外短路后，電壓會降至0V，從而引發(fā)析銅風(fēng)險(xiǎn)。但由于外短路析銅量不大、發(fā)生析銅的風(fēng)險(xiǎn)也并不高，因此不需要刻意改善。

外短路總結(jié)

失效原理：外短路造成整體溫升，內(nèi)部發(fā)生隔膜熔化或極耳熔斷進(jìn)一步提高了風(fēng)險(xiǎn)

關(guān)鍵改善點(diǎn)：隔膜材質(zhì)，極耳材質(zhì)

可能改善點(diǎn)：極耳外接PTC

頭腦風(fēng)暴改善點(diǎn)：提高電芯散熱效率，熱敏材料涂層箔材或主材

安規(guī)的總結(jié)

誰是最難通過的安規(guī)測試？

針刺：磷酸鐵鋰正極、套馬甲可以極大的提高通過概率，薄且大的電芯尺寸也有助于提高通過概率，而在其它條件下，通過難度頗高；

過充電：磷酸鐵鋰正極、提高負(fù)極過量可以極大的提高通過概率，外接PTC、防過充電解液配合三元材料這兩種方法，也有一定程度改善效果，其它方案改善有限；

重物沖擊：可以當(dāng)做小號的針刺，改善方案也與針刺類似，但失效概率更低，同時(shí)電芯寬度、剛度都有可能產(chǎn)生顯著影響；

熱沖擊：更換隔膜材質(zhì)可以極大程度提高通過概率，而即便使用PE基材隔膜也只會造成風(fēng)險(xiǎn)度低的正負(fù)極間、銅鋁箔間內(nèi)短路，失效概率較低；

外短路：可以當(dāng)做大號的熱沖擊，電芯溫度與熱沖擊基本一樣，但是極耳產(chǎn)熱、內(nèi)部快速反應(yīng)提高了失效風(fēng)險(xiǎn)；

過放電：寫這個(gè)主要是為了講一下析銅的事情。

綜上所述，各項(xiàng)安規(guī)測試的難易度排名為：針刺≈過充電>重物沖擊>外短路>熱沖擊>過放電

誰是對安規(guī)性能有最大影響的設(shè)計(jì)要素？

根據(jù)上面的難易度排列，我們將六項(xiàng)安規(guī)測試的難度從5到1進(jìn)行排列，針刺、過充電為5分，重物沖擊4分，外短路3分，熱沖擊2分，過放電1分。

根據(jù)文武所列的安規(guī)改善方案，我們將所有的設(shè)計(jì)要素分為正極、負(fù)極、隔膜、電解液、鋁箔、極耳、電芯結(jié)構(gòu)、電芯形狀、熱敏材料、特殊外殼十大類，設(shè)計(jì)要素與安規(guī)測試之間的關(guān)系以◎代表關(guān)鍵影響、以○代表一般影響、以△代表可能影響，列出下表：

接下來我們借用優(yōu)先矩陣圖的原則，將關(guān)鍵影響評為5分、一般影響評為3分、可能影響評為1分，并用每項(xiàng)的影響程度分別與對應(yīng)的安規(guī)測試難度相乘，計(jì)算出每一個(gè)設(shè)計(jì)要素的總得分：

例如，正極這一設(shè)計(jì)要素對安規(guī)的影響總分=5（對針刺關(guān)鍵）╳5（針刺的難度）+5（對過充關(guān)鍵）╳5（過充的難度）+3╳4+3╳3+3╳2+3╳1=80分。

我們按以上算法將全部設(shè)計(jì)要素的安規(guī)影響度計(jì)算一遍，并將最終結(jié)果做成柱狀圖：

由于正極和隔膜對全部安規(guī)測試都有著一般或關(guān)鍵影響，因此二者的評分最高；電芯結(jié)構(gòu)和電芯形狀都可以顯著改善針刺和重物沖擊這兩項(xiàng)嚴(yán)苛的外力類安規(guī)，評分也較高；負(fù)極、電解液在現(xiàn)有體系下，可優(yōu)化空間不大，且一般情況下不是失效的短板，因此評分不高，若后續(xù)開發(fā)出量產(chǎn)使用的阻燃電解液，情況將會有所改變。