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內(nèi)部短路測試（電池）檢測

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發(fā)布時間：2025-07-24 19:41:17 更新時間：2025-07-23 19:41:17

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作者：中科光析科學(xué)技術(shù)研究所檢測中心

內(nèi)部短路測試（電池）檢測：確保鋰離子電池安全的關(guān)鍵防線

內(nèi)部短路（Internal Short Circuit, ISC）是鋰離子電池最為嚴(yán)重且極具危險性的故障模式之一。它通常指電池內(nèi)部正負極之間發(fā)生的非正常、低阻抗的電氣連接。引發(fā)內(nèi)部短路的原因復(fù)雜多樣，包括但不限于：制造過程中引入的金屬雜質(zhì)（如銅屑、鋁屑）、負極鋰枝晶生長刺穿隔膜、電池在濫用條件（如擠壓、針刺、過充、過熱）下隔膜失效、以及長期循環(huán)或老化導(dǎo)致的電極變形或隔膜收縮/脆化等。一旦發(fā)生內(nèi)部短路，電池內(nèi)部會在極短時間內(nèi)釋放出巨大的能量，導(dǎo)致局部溫度急劇升高（可達數(shù)百度），極易觸發(fā)連鎖放熱反應(yīng)（熱失控），進而引發(fā)起火、爆炸等災(zāi)難性事故。因此，對電池進行系統(tǒng)、嚴(yán)苛的內(nèi)部短路測試，模擬并評估其在各種潛在短路場景下的安全表現(xiàn)，是電池研發(fā)、生產(chǎn)和質(zhì)量控制中不可缺失的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于保障消費者安全和產(chǎn)品可靠性至關(guān)重要。

檢測項目/測試目的

電池內(nèi)部短路測試的核心目標(biāo)是模擬并評估電池在遭遇內(nèi)部短路時的安全風(fēng)險等級和失效模式。主要檢測項目/目的包括：

1. 擠壓誘發(fā)短路測試： 模擬電池在受到外部物理擠壓（如車輛碰撞、設(shè)備跌落擠壓）時，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致正負極接觸短路的行為。

2. 針刺誘發(fā)短路測試： 模擬金屬異物（如釘子）刺穿電池殼體及內(nèi)部組件，瞬間造成大面積正負極直接短路的情況，這是最嚴(yán)酷的短路測試之一。

3. 強制內(nèi)部短路測試： 一種更精密、可重復(fù)性更高的測試方法（通常依據(jù)日本JIS標(biāo)準(zhǔn)或GB/T 31485特定方法），通過在電池內(nèi)部預(yù)置特定形狀（如鎳粒）的異物或?qū)μ囟ú课皇┘涌煽貞?yīng)力，人為誘導(dǎo)在特定位置（如正極-鋁箔、負極-銅箔、正極-負極）發(fā)生內(nèi)部短路。

4. 過充/過熱誘發(fā)短路測試： 評估電池在過充電或過熱等濫用條件下，是否會因負極析鋰（形成枝晶）或隔膜熔化收縮等原因?qū)е聝?nèi)部短路。

5. 微短路檢測（質(zhì)量控制）： 在生產(chǎn)線上通過高精度電壓監(jiān)測等方法，識別存在微小內(nèi)部缺陷（如微小金屬雜質(zhì)）可能導(dǎo)致自放電異常（微短路）的電池單體。

檢測儀器

進行電池內(nèi)部短路測試需要專門的、具備高安全防護能力的測試設(shè)備和精密儀器：

1. 擠壓測試儀/萬能材料試驗機： 用于執(zhí)行擠壓測試，需要具備精確的壓力、位移控制和數(shù)據(jù)采集功能。測試夾具需符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的形狀（如圓柱形電池用平面或弧形壓板，方形電池用平板），并能將電池剛性固定。

2. 針刺測試儀： 核心部件是特定直徑（通常為3mm, 5mm, 8mm等）的耐高溫鋼針（推薦材質(zhì)如鎢合金）。儀器需能以規(guī)定的速度（如80mm/s）驅(qū)動鋼針刺穿電池，并同步記錄電壓、溫度、力等參數(shù)。

3. 強制內(nèi)部短路測試裝置： 結(jié)構(gòu)復(fù)雜精密，通常包含：微型沖壓機構(gòu)（用于對電池內(nèi)部特定部位施加精準(zhǔn)壓力）、高精度壓力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及嚴(yán)格密封的防爆測試箱。用于執(zhí)行如JIS C 8714或GB/T 31485附錄中的測試。

4. 高精度電池測試系統(tǒng)： 用于執(zhí)行過充、過放等電濫用測試，需能精確控制充放電電流、電壓，并實時監(jiān)控電壓、電流、溫度變化。

5. 熱濫用測試箱： 高溫烘箱或溫度快速升降試驗箱，用于進行熱濫用測試。

6. 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)： 能高速（如1000Hz或更高）同步采集電壓、電流、溫度（多點，特別是電芯表面和極柱）、壓力、位移等關(guān)鍵參數(shù)，捕捉短路瞬間的劇烈變化。

7. 安全防護箱/防爆箱： 所有內(nèi)部短路測試（尤其是針刺、強制內(nèi)部短路、過充過熱測試）必須在強固的、具備泄壓和滅火功能的安全防護箱內(nèi)進行，以保護人員和設(shè)備安全。箱體需具備良好密封性、耐爆性、排氣通道和阻燃內(nèi)襯。

8. 紅外熱像儀： 用于非接觸式監(jiān)測電池表面溫度分布和熱失控傳播過程。

檢測方法

內(nèi)部短路測試方法通常依據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)或國際標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，主要方法如下：

1. 擠壓測試方法： * 將充滿電的電池固定在測試設(shè)備上。 * 用規(guī)定形狀的壓頭（平面、圓柱面等）在垂直于電池極柱的方向施加壓力。 * 施加方式：恒定速度（如1.5mm/s）擠壓至達到規(guī)定壓力（如13kN，具體值取決于標(biāo)準(zhǔn)）或擠壓至電壓下降≥100mV或變形量達到規(guī)定值（如原始尺寸的30%）。 * 停止條件：達到規(guī)定壓力、規(guī)定變形量、電壓下降100mV、或觀察到起火/爆炸。

2. 針刺測試方法： * 將充滿電的電池固定在測試設(shè)備上。 * 用規(guī)定直徑（如φ3mm、φ5mm、φ8mm）的鋼針，以規(guī)定速度（通常20-80mm/s）沿垂直于電池表面的方向（常選擇貫穿電池幾何中心或兩電極之間）刺穿電池。 * 貫穿后保持一段時間（如10s）或直到電池停止反應(yīng)（起火/爆炸結(jié)束）。 * 記錄刺穿過程中及刺穿后的電壓、溫度變化，觀察是否起火、爆炸。

3. 強制內(nèi)部短路測試方法（以JIS C 8714 / GB/T 31485 附錄為例）： * 樣品制備（最核心步驟）：在特定環(huán)境（干燥房/手套箱）下，小心拆解電池至上一步，暴露出目標(biāo)短路點（如負極-銅箔、正極-鋁箔、正極-負極），并在目標(biāo)位置精確放置規(guī)定形狀和尺寸的模擬異物（如鎳粒）。 * 將制備好的半成品電池（保留隔膜、電解液）重新封裝或置于密封測試夾具中。 * 使用微型沖頭對預(yù)置異物的位置施加緩慢、持續(xù)增加的壓力（速度如0.1mm/s）。 * 關(guān)鍵停止判據(jù)：當(dāng)檢測到電壓下降達到規(guī)定閾值（如100mV）時，立即停止加壓（這是該方法的核心，旨在模擬短路即將發(fā)生但尚未劇烈反應(yīng)的狀態(tài)）。 * 保持該壓力一段時間（如1小時），觀察和記錄電池是否發(fā)生熱失控（起火、爆炸、溫度驟升）。

4. 電濫用/熱濫用誘發(fā)短路觀察方法： * 過充：以特定電流（如1C）對電池充電至遠高于其充電截止電壓（如1.5倍或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定倍數(shù)），并維持此電壓或繼續(xù)充電，直至電池發(fā)生失效（可能表現(xiàn)為溫度急劇升高、泄壓閥打開、起火、爆炸）。 * 過熱：將充滿電的電池置于高溫烘箱中，以規(guī)定速率（如5°C/min）升溫至目標(biāo)溫度（如130°C, 150°C等），并保溫一定時間，觀察是否因隔膜失效導(dǎo)致內(nèi)部短路引發(fā)熱失控。

檢測標(biāo)準(zhǔn)

電池內(nèi)部短路測試遵循嚴(yán)格的國家標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)規(guī)范，以下是一些廣泛引用的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)：

1. 國家標(biāo)準(zhǔn) (中國)： * GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》：中國的強制性安全標(biāo)準(zhǔn)，包含針對動力電池單體和模組的擠壓測試要求（第7.10節(jié)）。 * GB/T 31485-2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》：該標(biāo)準(zhǔn)的附錄A詳細規(guī)定了“蓄電池單體強制內(nèi)部短路試驗”方法（即強制內(nèi)部短路測試方法），是此類測試的核心依據(jù)。 * GB 31241-2022《便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組安全技術(shù)規(guī)范》：針對消費類電池的安全標(biāo)準(zhǔn)，包含針對電池單體的擠壓測試（附錄B.3）和電池組的重物沖擊測試（模擬擠壓/針刺，附錄B.4）。

2. 國際/區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)： * IEC 62133-1:2017 & IEC 62133-2:2017 (含Amd1:202