临界C-rate条件下外部短路时长对锂离子电池性能及热失控风险的影响机制研究

本文通过临界倍率(20C)实验，揭示了外部短路时长对NCM三元锂离子电池(NCM LiBs)性能与热安全性的影响规律。研究发现短时短路(<40s)仅导致极耳轻微开裂，但20-30s短路会使电池温升接近热失控(thermal runaway)阈值并伴随20%容量衰减。二次短路实验表明，经历短路的电池在后续使用中具有更高的热风险，扫描电镜(SEM)显示其内部存在电解液分解、活性物质流失及隔膜闭合等微观损伤机制。

　　

Highlight

本研究采用恒定电流倍率法（区别于传统恒阻法），首次系统探究了临界20C倍率下不同短路时长对NCM软包锂离子电池的影响。通过二次短路实验与微观表征相结合，揭示了"短路时长-电极损伤-热风险"的级联机制，为动力电池安全设计提供了新见解。

Experimental system

实验系统由防爆测试舱、充放电设备（型号CE-6002n-100V300A-H）、数据采集系统（型号DAQ970A）和排烟装置构成（图1）。防爆舱可有效防护电池燃爆风险，充放电设备能精准控制电流至±0.1A精度，数据采集系统以1Hz频率记录电压/温度数据，排烟装置确保实验环境安全。

Determine the critical C-rate

图4显示电池在15C/20C/25C放电时的温升曲线。15C倍率下峰值温度达139.18°C并伴随57秒浓烟，但未发生热失控；25C时则在11秒内触发热失控。20C作为临界倍率，既能引发显著电热效应又保持实验可控性，故被选为后续研究基准条件。

Conclusion

短期外部短路会通过三重机制加剧电池风险：①电解液分解导致活性锂损失；②SEI膜再生消耗电解液；③电极应力累积引发隔膜闭孔。这些微观损伤使经历短路的电池在后续使用中，其温升速率可达初始状态的3.2倍，如同"休眠的火山"更易爆发热失控。

CRediT authorship contribution statement

周健安：方法论构建与基金获取；王林辉：实验执行与初稿撰写；杜小泽：资源协调与理论指导；其他作者分别参与数据分析或设备支持。

Declaration of competing interest

作者声明无利益冲突。

Acknowledgements

感谢国家自然科学基金（52206087）等项目的资助。

（注：翻译部分保留了原文的层级结构，专业术语如SEI膜(solid electrolyte interphase)、NCM(Ni-Co-Mn)等均采用"中文(英文缩写)"格式，温度单位使用°C保持原样式，关键数据用具体数值呈现科学性）