電池在生產(chǎn)過(guò)程中，空氣中會(huì)存在微塵顆粒和雜質(zhì)，并且正負(fù)極上也含有粉塵及毛刺，這些因素會(huì)使電池內(nèi)部容易發(fā)生物理接觸而誘發(fā)短路，使電池性能受到極大的影響，嚴(yán)重時(shí)甚至可能使電芯充不進(jìn)電，造成“無(wú)電”電芯。鋰離子電池廠家在完成電芯組裝工序后，會(huì)對(duì)其進(jìn)行在高壓下的短路測(cè)試，主要判斷電芯內(nèi)部是否存在異物顆粒造成的短路，以便挑選出容易短路的電芯。

由于隔膜都存在一定的耐電壓強(qiáng)度，當(dāng)加載電壓過(guò)高時(shí)能夠擊穿隔膜，形成漏電流。因此，首先電芯絕緣測(cè)試電壓要低于擊穿電壓。當(dāng)正負(fù)極之間不存在異物時(shí)，在測(cè)試電壓下漏電流小于規(guī)定值，判定電芯合格。而如果正負(fù)極之間存在一定尺寸的異物，隔膜會(huì)被擠壓，正負(fù)極之間的間距減小，擊穿電壓下降，如果還加載相同電壓，漏電流可能超過(guò)設(shè)定的警報(bào)值。通過(guò)設(shè)定測(cè)試電壓等參數(shù)，就可以統(tǒng)計(jì)分析判斷電芯內(nèi)部的異物尺寸。一般情況下，隔膜越薄，耐電壓強(qiáng)度越低，測(cè)試電壓理論上也應(yīng)該更低。隔膜含水量過(guò)高時(shí)也容易形成較大的漏電流。如果測(cè)試電芯內(nèi)部存在異物，可能造成內(nèi)部短路，電芯被擊穿，如圖1所示。

因此，裸電芯的絕緣耐電壓測(cè)試是鋰電池生產(chǎn)過(guò)程檢驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以檢測(cè)出不合格產(chǎn)品，提高最終電池產(chǎn)品的安全系數(shù)。本文以短路率為出發(fā)點(diǎn)，重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)并研究了鋰電池各個(gè)制作環(huán)節(jié)中的電芯短路率，并進(jìn)行了原因剖析，為電芯制作中的短路率控制提出了指導(dǎo)方向。

1、實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

使用疊片式進(jìn)行電芯組裝，容量為5Ah，正極材料為三元523；負(fù)極材料為石墨；隔膜采用12個(gè)批次，共計(jì)50個(gè)樣品（詳見(jiàn)表 1）；鋁塑膜；電解液。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

按照電池容量，使用半自動(dòng)疊片機(jī)對(duì)電芯進(jìn)行組裝，使用轉(zhuǎn)盤式冷熱壓機(jī)對(duì)電芯進(jìn)行冷熱壓整形，隨后使用超聲波極耳焊接機(jī)進(jìn)行極耳焊接，最后使用四工位頂側(cè)封機(jī)對(duì)組裝好的電芯進(jìn)行頂側(cè)封。使用絕緣電阻儀，對(duì)電芯不同環(huán)節(jié)的短路情況依次進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置檢測(cè)電壓為200V，電阻值為20MΩ。

2、 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

在相同制作環(huán)境下，使用相同的正負(fù)極材料和電解液，對(duì)12個(gè)批次、50個(gè)隔膜樣品進(jìn)行了鋰電池制作，并對(duì)鋰電池不同制作環(huán)節(jié)的短路率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得出以下結(jié)論。（注：上表各批次中，隔膜型號(hào)用相應(yīng)編號(hào)代替。）

從以上數(shù)據(jù)分析，總共組裝1214電芯，其中疊片環(huán)節(jié)短路86塊，短路率7.08%；冷熱壓環(huán)節(jié)短路5塊，短路率0.41%；極耳焊接環(huán)節(jié)短路36塊，短路率2.97%；頂側(cè)封環(huán)節(jié)短路38塊，短路率3.13%。各環(huán)節(jié)短路率高低依次為疊片＞頂側(cè)封≈焊接＞冷熱壓。

2.2 造成短路的原因分析

2.2.1 造成疊片工序短路率高的原因

（1）粉塵

將微短路的鋰電池拆開(kāi)，可以發(fā)現(xiàn)隔膜上會(huì)出現(xiàn)黑點(diǎn)。如果黑點(diǎn)位于隔膜中心附近，很大概率是由于粉塵擊穿造成的。鋰電池在生產(chǎn)制造過(guò)程中，空氣中的粉塵或者制成時(shí)極片、隔膜沾上的金屬粉末都會(huì)造成電芯內(nèi)部微短路。雜質(zhì)造成的微短路所引起的不可逆反應(yīng)，是造成個(gè)別鋰電池自放電偏大的最主要原因。

（2）毛刺

極片在使用前，要使用特定模板裁切成規(guī)定尺寸。裁切過(guò)程中不可避免會(huì)出現(xiàn)極片掉屑或者毛刺，這些異物在疊片時(shí)會(huì)有一部分卷入電芯中，夾雜在正負(fù)極和隔膜之間，存在內(nèi)部微短路風(fēng)險(xiǎn)。將微短路的鋰電池拆開(kāi)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)鋰電池的隔膜上出現(xiàn)的黑點(diǎn)處于邊緣位置占多數(shù)，便是極片分切過(guò)程中產(chǎn)生的毛刺引起的。

（3）正負(fù)極極片直接接觸

在疊片過(guò)程中，隔膜應(yīng)該完全包裹住正負(fù)極極片，并且負(fù)極片的尺寸略大于正極片。在某些情況下，隔膜的糾偏過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題，造成隔膜無(wú)法完全包裹住正負(fù)極極片，隔膜向一端偏移，造成正負(fù)極極片直接接觸，形成短路。

2.2.2 造成冷熱壓工序短路的原因

（1）毛刺。疊片工序沒(méi)有檢測(cè)出短路的電芯，冷熱壓工序中，在強(qiáng)制外力的作用下，電芯被擠壓，內(nèi)部空間發(fā)生壓縮，之前存在于內(nèi)部的毛刺這時(shí)很可能刺穿隔膜，造成短路。

（2）由于隔膜的機(jī)械強(qiáng)度不夠，在冷熱壓環(huán)節(jié)，強(qiáng)制施加外力的條件下，有可能造成隔膜被撕裂或者穿刺成大孔，正負(fù)極接觸，形成短路。

2.2.3 造成焊接工序短路的原因

（1）傳統(tǒng)的超聲波焊接工藝，焊接面積小，焊接強(qiáng)度差，特別容易出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象。在超聲焊接過(guò)程中，容易使集流體處金屬屑飛濺至極耳膠和電芯主體上。飛濺到極耳膠處的金屬屑因瞬間高溫粘結(jié)在極耳膠上，無(wú)法清除，在后續(xù)電芯封裝中，使極耳與鋁塑膜外殼導(dǎo)通引發(fā)短路。

（2）疊片電池由多片正負(fù)極組成，容量越高，電芯越厚。極耳焊接時(shí)，為了將所有裸露的集流體焊接在一起，位于電芯外側(cè)的極耳會(huì)被一定程度的向外拖拽，這就可能造成隔膜無(wú)法完全包裹住極片，存在正負(fù)極接觸的可能。

3.2.4 造成頂側(cè)封工序短路的原因

（1）鋁塑膜充殼時(shí)，厚度不能完全符合電芯要求，存在入殼困難的可能性。入殼時(shí)在邊角處可能造成電芯擠壓，導(dǎo)致正負(fù)極接觸，形成短路。

（2）頂封相比側(cè)封，如果封頭溫度過(guò)高，容易造成鋁塑膜中的鋁箔和正負(fù)極極耳導(dǎo)通，形成短路。

2.3 電芯制作工藝改進(jìn)方向

針對(duì)可能造成電芯短路的各個(gè)制作環(huán)節(jié)，可以從以下幾個(gè)方面重點(diǎn)著手，降低電芯的短路率，提高電芯制作水平。

（1）使用模板對(duì)極片進(jìn)行裁切后，以及在放入料盤之前，盡量去除極片上出現(xiàn)的掉屑或毛刺，降低內(nèi)部微短路風(fēng)險(xiǎn)。（2）電芯制作過(guò)程中，嚴(yán)格控制空氣中的粉塵和雜質(zhì)的含量，盡量避免異物的混入。（3）疊片過(guò)程中，時(shí)刻調(diào)整糾偏電機(jī)，調(diào)整隔膜的限位裝置，使隔膜完全包裹住正負(fù)極極片，避免兩者錯(cuò)位造成接觸，防止電芯頂端或底部正負(fù)極短路的形成。（4）焊接極耳時(shí)，設(shè)置好焊接電壓和觸發(fā)時(shí)間等參數(shù)。如果電芯較厚，可以將極耳焊接在電芯中間部位，防止極片被過(guò)度向外拖拽。（5）頂側(cè)封環(huán)節(jié)，設(shè)置好熱封溫度以及熱封時(shí)間，防止由于熱封時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成過(guò)封。（6）鋁塑膜沖殼時(shí)，嚴(yán)格根據(jù)電芯厚度進(jìn)行沖深，使鋁塑膜完全包裹住電芯，防止由于沖深不夠造成電芯邊角處擠壓。

2.4 針對(duì)隔膜提出的改進(jìn)措施

（1）隔膜要有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度，抗刺穿能力也要強(qiáng)，尤其是在冷熱壓環(huán)節(jié)，防止隔膜由于機(jī)械外力造成撕裂。

（2）隔膜的物理絕緣性要高。擊穿電壓在合理范圍內(nèi)，應(yīng)該盡可能的高。同時(shí)為了防止毛刺穿刺隔膜，隔膜中大孔在孔徑分布中所占比例應(yīng)該盡可能低。

（3）可以使用涂層隔膜，在增強(qiáng)熱穩(wěn)定性的同時(shí)，也能夠適當(dāng)增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度，降低電池的短路風(fēng)險(xiǎn)。

文獻(xiàn)參考：王磊,宋建龍,張建臣,熊佳興.鋰離子電池疊片工藝短路現(xiàn)象分析與研究[J].信息記錄材料,2020,21(2):20-22