鋰離子電池正負極在充放電的過程中發生顯著的體積變化，從而在鋰離子電池內部造成應力的積累，特別是在卷繞型電池中應力得不到有效的釋放，特別是在過充等極端情況下，電極體積膨脹加劇，可能會引起電極斷裂和失效。

近日，美國馬里蘭大學的

Weiping

Diao

（第一作者，通訊作者）等人對鋰離子電池在過

充條件

下

失效機理，發現

鋰

離子電池在過

充達到

一定的

SoC

後，會引發電極的斷裂失效。

實驗中作者對4款18650電池開展了研究，電池的基本資訊如下表所示。其中電池1、2和3的正極為NCM材料，而電池4的正極為NCM和LCO混合。電池按照下圖所示的制度充滿電後，採用5A的電流對電池持續充電直到電池的安全措施被觸發或發生熱失控，為了檢測電池的溫度變化，分別在電池的上部、中部和下部貼上了三個熱電偶。

在過充測試的過程中所有的電池都沒有發生熱失控，下圖為電池溫度、SOC隨時間變化的曲線。從圖中能夠看到，電池溫度和電壓升高速率會在一定的時間發生突變，導致電壓快速升高。相關的研究表明電池電壓和溫度的這種突變主要來自於正極材料，正極材料的電壓隨著脫鋰量的增加而提高，當達到電解液不穩定的範圍後電解液開始氧化分解，釋放大量的氣體，從而導致電池電壓快速升高。

下圖為四款電池的CT圖，從圖中能夠看到由於電池過充中產生了較多的氣體，因此所有電池的防爆閥都發生了開啟，而電極4還出現了電極破損的現象。

下圖為4號電池在過充前後的CT掃描圖片，可以看到在過充後，電芯的裂紋貫穿了整個電芯的外層。在2號電芯上也發現了類似的現象，這種裂紋特別容易在正極極耳、負極極耳處出現，從而導致電極大量的活性物質脫離接觸，引起電池容量的損失。

在下表中作者對四款電池的電、熱和機械引數進行了彙總，可以看到4號電池防爆閥開啟的SoC要比其他三款電池高15%左右。

為了確定導致第四款電池在過充過程中電極開裂的主要原因，作者分別採用0。5C電流充電到155%SoC，2C充電到153%SoC和2C充電到140%SoC，從下圖的可以看到充電到155%和153%SoC的電池在充電過程中電壓和SoC都發生了相似的轉變，轉折點後電壓和溫度開始快速升高，而充電到140%SoC的電池則沒有發生類似的轉變。0。5C充電到155%SoC電池最高平均溫度為30℃，2C充電到153%SoC則為45℃，2C充電到140%SoC則為53℃。

作者將上述過充實驗的電池放電到0V後進行了解剖，下圖為正極的介面圖，從圖中能夠看到集流體兩側的正極活性物質層的厚度沒有發生明顯的變化。

下圖為四款電池負極的介面圖，從圖中能夠看到銅箔兩層的活性物質厚度基本沒有發生變化，但是銅箔集流體的厚度卻發生了顯著的變化，銅箔的平均厚度增加了80%~130%，這主要是因為負極活性物質顆粒在充電的過程中會發生顯著的體積膨脹，從而對銅箔產生擠壓，在兩側活性物質分佈不均的情況下會對銅箔產生剪下作用，從而引起銅箔集流體發生嚴重的變形，極端的情況下甚至會引起電極斷裂。

從而是結果看，電池充電到153%SoC後電極發生了斷裂，但是充電到140%SoC的電池則沒有發生電極斷裂，這主要是因為充電到153%引起的負極體積膨脹要明顯高於140%SoC的電池。

Weiping Diao的研究表明在極端的情況下，卷繞行電池會由於電芯內部的應力無法釋放，導致電極發生斷裂，引起電池容量的斷崖式損失。鋰離子電池的這種電極斷裂現象主要是受到充電SoC的影響，當電池的SoC狀態達到一定的數值，就會誘發電極的斷裂。

本文主要參考以下文獻，文章僅用於對相關科學作品的介紹和評論，以及課堂教學和科學研究，不得作為商業用途。如有任何版權問題，請隨時與我們聯絡。

Charging induced electrode layer fracturing of 18650 lithium-ion batteries， Journal of Power Sources 484 （2021） 229260，

Weiping

Diao

, Bin Xu, Michael

Pecht