在环境污染和能源危机的双重压力下，节能减排已成为世界各国的共同责任。在此背景下，使用清洁能源的新能源汽车在全球范围内快速发展。锂离子电池因其在能量密度、循环寿命、环保性能等方面的突出优势，广泛应用于各种电子设备和电动汽车中。然而，其潜在的安全隐患也不容忽视。为了确保锂离子电池的安全性，必须进行一系列严格的安全性测试。本文将介绍锂离子电池的短路测试，探讨其测试方法、评估标准及其对电池安全性的影响。
1.1 内短路
内短路被认为是导致锂离子电池热失控、起火甚至爆炸的重要原因之一。内短路的诱因和发生机制通常与电池内部的制造缺陷、使用过程中的机械损伤、材料老化、热失控等因素有关。
图1 内短路故障诱因
1.1.1 内短路形成机制
内短路是指在电池内部，正极和负极通过电解质直接连接，导致电池失效或热失控。内部缺陷主要分为制造过程中的结构变形和制造引发的缺陷两类，结构变形主要发生在电池隔膜与电极上，如隔膜缺陷。隔膜是位于正极和负极之间的绝缘材料，制造过程中如果出现穿孔、厚度不均等缺陷，可能导致正负极直接接触，引发内短路。在锂离子电池生产制造过程中，不规范的操作环境可能会将异物引人电池内部。研究表明电极材料在制造过程中，如果存在异物（如金属颗粒等）或材料分布不均，也可能刺穿隔膜导致内短路。外部冲击：电池受到机械冲击或挤压，可能导致内部结构损坏，隔膜破裂，引发内短路。
电动汽车在日常使用过程中不可避免会发生碰撞事故。碰撞发生时，强大的外力会造成电池变形和位移，被称为机械滥用，机械滥用主要包括挤压和穿刺，发生机械滥用时，会使电池隔膜穿刺或失效，引发内短路，严重时会导致热失控、着
火、爆炸等重大事故。尖锐物体刺入电池内部，直接刺穿隔膜，造成短路。
电滥用是锂离子电池在使用过程中最常见的安全隐患之一，而过充电和过放电则是导致电滥用的主要因素。有文献研究表明，过充电会在电池过充或低温充电时，负极表面可能形成锂枝晶，这些枝晶会逐渐穿透隔膜，与正极接触，引发内短路。电池过度充电或放电，导致电池内部温度升高，电解质分解产生气体，导致隔膜熔化或破裂，引发短路。
高温是造成锂离子电池热滥用最常见的原因之锂离子电池工作温度范围狭窄，耐热性差，如果长时间工作在高温环境下，会对其带来不可逆的损伤，严重时还可能发生着火，爆炸等危险事故。电池在高温环境下自发热，可能导致隔膜熔化，正负极接触。某些正极材料（如高镍三元材料）在充放电过程中会发生膨胀，长期循环可能导致隔膜受损，形成内短路。
1.1.2 内短路测试的方法
使用高精度的内部短路诱导装置，确保短路位置和条件可控。采用记忆性金属合金制作成触发元件，利用其记忆特性，常温时保持表面平整，植入电池样品中，当温度升高时触发元件尖端翘起，刺穿隔膜，实现电池内部正极部分(包括正极极耳、正极集流体、正极活性物质)与负极部分(包括负极极耳、负极集流体、负极活性物质)之间的低阻性短接。内部短路测试通常通过在电池内部引入金属颗粒或其他导电材料，模拟电池内部的短路情况。
图2 内短路检测方法框图
步骤：
准备待测电池，并记录其初始状态。
使用内部短路诱导装置，在电池内部引入短路源。
监测电池的电压、温度和外观变化，记录相关数据。
根据测试结果，评估电池的内部短路安全性能。
试验结果处理方法如下:
a) 计算电池样品从内短路触发到电压下降首次超过 100 mV 经历的时间，按公式(1)计算:
ΔT=T2-T1 (1)
式中:T1-电压开始下降时刻，s;T2-电池样品电压下降首次超过 100 mV 的时刻，s;
b)计算电池样品从内短路触发到试验终止时刻的电压变化值，按公式(2)计算:
ΔU=UE-U1 (2)
式中:U1-电池样品内短路触发时刻的电压，V;UE-试验结束时刻电池样品的电压，V。
c)计算电池样品内短路触发引起的温升值，按公式(3)计算:
Δt=tM-t1 (3)
式中:t1-电池样品内短路触发时刻的温度，℃:tM-电池温度最大值，℃。
不同soc电池最高温度与位移的关系如图3所示。加载后，电池温度在短时间内迅速上升。60% SOC、80% SOC和100% SOC的温度曲线近似垂直向上。0% SOC、20% SOC、40% SOC、60% SOC、80% SOC和100% SOC对应的最高电池温度分别为35.48、124.32、129.07、372.16、470.07和444.18℃。平均升温速率为0.54℃/s, 2.10℃/s, 2.45℃/s, 21.92℃/s, 37.39℃/s和52.85℃/s。可以看出，电池发生内部短路后，最高温升速率与荷电状态呈正相关，而最高温度对荷电状态的依赖性非常特殊，电池最高温度随着SOC的增加而增加。
图3 不同soc电池的温度-位移曲线
1.2 外短路
外部短路是动力电池安全事故中最易出现的故障之一，也是触发电池热失控的重要原因之一。外部短路发生瞬间会产生大电流放电，电池内部会发生一系列电化学反应，进而引起一系列连锁放热反应，最终引发电池温度急剧上升，耦合了电滥用与热滥用情况。
1.2.1 外短路形成机制
外短路是指电池的正负极在外部直接连接，导致大电流通过电池，从而引起电池过热、失效甚至爆炸。外短路的形成机制主要包括外部导电物体的意外接触，例如金属工具等导电物体意外接触电池的正负极，形成短路。这种情况常见于维修或使用过程中，未注意到电池的正负极暴露在外。连接错误也是常见原因，在实验或使用过程中，错误连接电池的正负极，例如误接电极，导致短路，这通常由于操作不当或标识不清所致。此外，电池组内部连接故障，例如电池或连接导线的故障，也会导致正负极短接，电池保护电路（如过流保护）失效，无法在外部短路时及时切断电路，进一步加剧短路风险。外部环境因素如电池暴露在潮湿环境或被水浸泡，导致正负极通过水介质短路，也会引发外短路。另外，电池表面有导电污染物（如盐分），也可能引发短路。这些环境因素在实际使用中不易察觉，但可能对电池安全构成严重威胁。通过理解这些形成机制，可以更好地预防和管理锂离子电池的外短路风险，确保电池的安全性。
1.2.2 外短路测试方法
使用电池短路试验机，规定测试环境温度 25℃作为试验条件之一，外部短路的外部线路电阻不超过 5mΩ。借鉴 GB/T31467.3-2015 中规定外部回路接通保持 10min，试验结束后观察 1h。外部短路测试通过在电池的正负极之间直接连接低阻抗导线，模拟外部短路情况。
图4 电池短路试验机
步骤：
准备待测电池，并记录其初始状态。
使用低阻抗短路装置连接电池的正负极，开始短路测试。
监测电池的电压、温度和外观变化，记录相关数据。
根据测试结果，评估电池的外部短路安全性能。
以 18650 型圆柱电池单体，在 50%环境湿度，-10℃、10℃、25℃和 40℃环境温度下进行试验，试验结果如图5所示。
图5 初始 SOC20%、40%、60%、80%和 100%的电池单体外部短路测试电流与电压 结果：(A) 40℃下；(B)25℃下；(C) 10℃下；(D) -10℃
1.3 短路测试的评估标准
短路测试的评估标准包括以下几个方面：首先，测试需要模拟电池在实际使用环境中的短路情况，以确保测试结果的真实性和可靠性。这通常包括在不同温度、湿度和振动条件下进行短路测试，以全面评估电池在各种可能的实际使用环境中的表现。其次，评估电池在短路时的电流、电压变化，记录峰值电流和持续时间，以确定电池的短路耐受能力。这个过程需要高精度的测试设备来捕捉瞬态电流和电压的变化，并通过分析这些数据来评估电池的电气性能。
同时，观察电池在短路过程中的温度变化，评估其热稳定性。热成像设备或嵌入式温度传感器可以用来监测电池的温度分布和变化，确保电池不会因短路引起过热而导致热失控。此外，检测电池是否发生起火、爆炸或泄漏等安全事故，以评估其安全性能。任何形式的电池外壳破损、气体释放、火花或火焰的产生都是严重的安全问题，必须在测试中进行详细记录和分析。
另外，还需要评估电池在短路后的恢复能力，即电池在经历短路后能否恢复正常功能，或其性能衰减的程度。这个过程涉及对电池的容量、内阻、循环寿命等关键参数的重新测试和评估。通过对比不同电池在相同短路条件下的表现，可以评估电池设计和制造工艺的优劣，识别出可能的设计缺陷或工艺问题，并提出改进建议。
最后，短路测试的结果需要与相关的行业标准和法规进行对比，如UN38.3、UL1642和IEC62133等，以确保电池产品符合国际安全标准和法规要求。这些标准详细规定了短路测试的条件、方法和评估指标，是评估电池安全性和可靠性的重要依据。通过全面的短路测试，可以确保电池在各种使用环境中的安全性和可靠性，为电池设计和制造提供重要的反馈和改进方向。
理解锂离子电池内短路与外短路的形成机制和测试方法，对于电池设计、制造和使用中的安全性提升至关重要。通过改进电池材料、优化制造工艺、加强质量检测，以及在使用过程中采取保护措施，可以有效减少内短路和外短路的发生，提升电池的安全性能和可靠性。
