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锂离子电池正负极在充放电的过程中发生显著的体积变化，从而在锂离子电池内部造成应力的积累，特别是在卷绕型电池中应力得不到有效的释放，特别是在过充等极端情况下，电极体积膨胀加剧，可能会引起电极断裂和失效。近日，美国马里兰大学的WeipingDiao（第一作者，通讯作者）等人对锂离子电池在过充条件下失效机理，发现锂离子电池在过充达到一定的SoC后，会引发电极的断裂失效。实验中作者对4款电池开展了研究，电池的基本信息如下表所示。其中电池1、2和3的正极为NCM材料，而电池4的正极为NCM和LCO混合。电池按照下图所示的制度充满电后，采用5A的电流对电池持续充电直到电池的安全措施被触发或发生热失控，为了检测电池的温度变化，分别在电池的上部、中部和下部贴上了三个热电偶。在过充测试的过程中所有的电池都没有发生热失控，下图为电池温度、SOC随时间变化的曲线。从图中能够看到，电池温度和电压升高速率会在一定的时间发生突变，导致电压快速升高。相关的研究表明电池电压和温度的这种突变主要来自于正极材料，正极材料的电压随着脱锂量的增加而提高，当达到电解液不稳定的范围后电解液开始氧化分解，释放大量的气体，从而导致电池电压快速升高。下图为四款电池的CT图，从图中能够看到由于电池过充中产生了较多的气体，因此所有电池的防爆阀都发生了开启，而电极4还出现了电极破损的现象。下图为4号电池在过充前后的CT扫描图片，可以看到在过充后，电芯的裂纹贯穿了整个电芯的外层。在2号电芯上也发现了类似的现象，这种裂纹特别容易在正极极耳、负极极耳处出现，从而导致电极大量的活性物质脱离接触，引起电池容量的损失。在下表中作者对四款电池的电、热和机械参数进行了汇总，可以看到4号电池防爆阀开启的SoC要比其他三款电池高15%左右。为了确定导致第四款电池在过充过程中电极开裂的主要原因，作者分别采用0.5C电流充电到%SoC，2C充电到%SoC和2C充电到%SoC，从下图的可以看到充电到%和%SoC的电池在充电过程中电压和SoC都发生了相似的转变，转折点后电压和温度开始快速升高，而充电到%SoC的电池则没有发生类似的转变。0.5C充电到%SoC电池最高平均温度为30℃，2C充电到%SoC则为45℃，2C充电到%SoC则为53℃。作者将上述过充实验的电池放电到0V后进行了解剖，下图为正极的界面图，从图中能够看到集流体两侧的正极活性物质层的厚度没有发生明显的变化。下图为四款电池负极的界面图，从图中能够看到铜箔两层的活性物质厚度基本没有发生变化，但是铜箔集流体的厚度却发生了显著的变化，铜箔的平均厚度增加了80%~%，这主要是因为负极活性物质颗粒在充电的过程中会发生显著的体积膨胀，从而对铜箔产生挤压，在两侧活性物质分布不均的情况下会对铜箔产生剪切作用，从而引起铜箔集流体发生严重的变形，极端的情况下甚至会引起电极断裂。从而是结果看，电池充电到%SoC后电极发生了断裂，但是充电到%SoC的电池则没有发生电极断裂，这主要是因为充电到%引起的负极体积膨胀要明显高于%SoC的电池。WeipingDiao的研究表明在极端的情况下，卷绕行电池会由于电芯内部的应力无法释放，导致电极发生断裂，引起电池容量的断崖式损失。锂离子电池的这种电极断裂现象主要是受到充电SoC的影响，当电池的SoC状态达到一定的数值，就会诱发电极的断裂。本文主要参考以下文献，文章仅用于对相关科学作品的介绍和评论，以及课堂教学和科学研究，不得作为商业用途。如有任何版权问题，请随时与我们联系。Charginginducedelectrodelayerfracturingoflithium-ionbatteries,JournalofPowerSources(),WeipingDiao,BinXu,MichaelPecht来源：新能源Leader，作者：凭栏眺

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