电芯内短路不良类型及筛选方法

电芯内短路的类型

内短路（Internal Short Circuit, ISC）的本质是电池内部正极和负极之间非正常的电子导通。根据其成因、严重程度和演变过程，可以分为以下几类：
1.按触发机理和成因分类：
①自引发内短路：由电芯制造过程中的缺陷或长期老化导致。
②金属杂质污染：生产过程中引入的微量金属颗粒（如铁、铜、锌）刺穿隔膜，连接正负极。这是最常见且危险的成因之一。
③析锂（Lithium Plating）： 在低温、高倍率充电或过充时，锂离子无法及时嵌入负极石墨层，而是以金属锂的形式析出在负极表面，形成枝晶。枝晶不断生长最终刺穿隔膜，导致短路。
④隔膜缺陷：隔膜本身有破孔、厚度不均，或在卷绕/叠片过程中受到机械损伤（如毛刺）但未立即引发短路。
⑤老化与滥用：长期循环后，活性物质脱落、变形，或过充过放导致集流体腐蚀生成枝晶，都可能引发内短路。
⑥滥用引发内短路：由外部滥用条件导致。
机械滥用：碰撞、挤压、针刺等物理破坏，直接导致正负极接触。
电滥用：过充（导致析锂和氧化分解）、过放（铜箔溶解后再析出）。
热滥用：高温导致隔膜收缩（如PP/PE材质的隔膜在130°C以上会大面积收缩熔化），使正负极大面积接触。

2.按严重程度和电阻分类：
①微短路（Micro-Short Circuit）： 短路点电阻较大，自放电电流很小，产热微弱。电芯可能不会立刻失效，但会持续缓慢地自放电，存在热失控的潜在风险。
②软短路（Soft Short Circuit）： 短路点电阻中等，有明显的自放电和温升，电压持续下降，但可能不会立即引发明火或爆炸。
③硬短路（Hard Short Circuit）： 短路点电阻极小，相当于正负极直接连接，瞬间产生巨大的短路电流，热量急剧积累，通常在很短时间内就会引发热失控、起火或爆炸。

3.按演变过程分类：
①渐进式内短路： 如金属杂质或缓慢生长的锂枝晶所致，短路程度随时间逐渐加剧，从微短路可能演变为硬短路。
②突发式内短路： 如针刺、挤压等瞬间机械破坏所致，立即形成硬短路。

通过电化学性能检测和筛除不良品

电池工厂和实验室通过一系列的电化学测试来捕捉内短路的“蛛丝马迹”。核心思路是：内短路会导致异常的自放电、电压变化、容量衰减和热行为。
以下是一套系统的检测和筛选方法：
1.静态搁置监控（Standing/Open-Circuit Voltage Monitoring）-最关键的方法
✎原理：完好的电芯在静置时，由于界面钝化(SEI膜)稳定，电压下降极其缓慢。存在内短路的电芯，正负极会通过短路点持续放电，导致电压下降速度明显快于正常电芯。
✎操作方法：
1.将电芯充电至特定SOC(如50%或100%)。
2.在恒温环境下（如25°C）静置一段时间（通常为24小时到7天甚至更长）。
3.精确测量静置前后的电压。
✎判定标准：
①电压降（ΔV）：计算静置期间的电压下降值。通常设定一个阈值（例如，24小时ΔV>5mV或7天ΔV>20mV，具体阈值需根据产品特性通过大量实验确定），超过阈值的判定为不良品。
②K值(自放电率)：更精确的方法是用ΔV/Δt(如mV/day)来计算自放电率，并设定K值上限。
优点：简单、有效、可大规模用于产线筛选。注意：需要高精度的电压采集设备，且环境温度必须稳定，因为温度波动也会影响电压。
2.动态容量检查（Capacity Check）
✎原理：存在内短路的电芯，在充放电过程中，一部分容量被内部短路点消耗掉了，导致其可放出的实际容量低于设计容量或比同批次正常电芯低。
✎操作方法：
1.对电芯进行标准化的充放电循环（如用1C电流充满，再用1C电流放空）。
2.精确记录放电容量。
✎判定标准：放电容量低于额定容量的某个百分比（例如，<98%），或明显低于同批次平均容量。
优点：是常规必做项目。
缺点：对于微短路，容量差异可能不明显，容易被忽略。通常需要与静态搁置结合使用。
3.直流内阻（DCR）测试
✎原理：严重的软短路或硬短路可能会改变电芯的直流内阻。但对于微短路，DCR变化可能非常微小，无法有效检测。
✎操作方法：在不同SOC点（如50%SOC）施加一个短时大电流脉冲，测量电压变化ΔV，根据公式DCR=ΔV/ΔI 计算内阻。
✎判定标准：DCR值异常偏高或偏低（与工艺标准对比）。注意:DCR主要用于检测连接不良、电解液干涸等问题，不是检测内短路的首选或敏感方法。
4.循环老化测试（Cycle Aging Test）
✎原理：存在微短路的电芯，其容量衰减速率和电压下降趋势会比正常电芯更快。在循环过程中，内短路点可能会持续恶化。
✎操作方法：对样品电芯进行数百甚至上千次的充放电循环，定期（如每50周）检查容量和满电电压。
✎判定标准：容量衰减曲线异常陡峭，或满电电压在循环中持续下降。
优点：可用于可靠性研究和抽检，能发现一些潜在缺陷。
缺点：耗时极长，无法用于产线全检。
5.高级检测方法(主要用于实验室研发和分析)
①绝热热失控量热仪（Accelerating Rate Calorimetry, ARC）：将电芯置于绝热环境中，精确测量其自生热温度。存在内短路的电芯，其自生热起始温度（T-onset）会显著降低，热失控行为更剧烈。
②三电极体系测试：在实验电芯中引入参比电极，可以分别监测正极和负极的电位。内短路可能导致某一极的电位出现异常漂移。
③dV/dQ曲线分析：通过分析充放电曲线微分容量的变化，可以识别出由于内短路导致的副反应峰，但这种方法非常复杂，对数据精度要求极高。

一般筛选流程

一个典型的产线筛除流程如下：
1.化成分容后：所有电芯完成首次充放电（活化）。
2.一次静态搁置筛选（必做）：满电或半电状态，在高温房（如45°C）或常温下静置24-48小时。筛除电压降超标的电芯（这是捕捉微短路最有效的关口）。
3.容量&内阻筛选（必做）：检查容量是否达标，内阻是否在正常范围内。可以筛除一些严重不良品。
4.二次静态搁置（抽检或对高可靠性产品）：对于重要批次，可再进行一次更长时间的静置监控（如7天）。
5.循环老化测试（抽检）：对每一批次进行抽样循环测试，监控长期可靠性，反向优化一次静态搁置的阈值。

总结： 静态电压降监测是目前工业界检测和筛除具有内短路风险电芯的最重要、最经济、最有效的手段。 其他方法多为辅助或用于不同目的。通过这套组合拳，可以极大程度地将有安全隐患的不良电芯在出厂前剔除出去，保障电池包的整体安全。