鋰電池芯在高壓激勵(lì)下的擊穿機(jī)制

鋰電電芯的隔膜是一種多孔的聚烯烴膜，具有電子絕緣性，保證了正負(fù)極的機(jī)械隔離而不致短路，同時(shí)因隔膜具有一定的孔隙率和透氣率而又可以讓離子自由通過。

正常隔膜的結(jié)構(gòu)如上圖所示。孔的大小及分布應(yīng)是均勻的。在裝配電芯的過程中，可能會(huì)發(fā)生如下一些情況：

a、 隔膜可能錯(cuò)位，導(dǎo)致正負(fù)極短路;

b、 隔膜因種種原因，可能被撕裂或刺穿成大孔，導(dǎo)致正負(fù)極短路;

c、 隔膜雖然被撕裂或刺穿成大孔，但正負(fù)極間卻未真正短路;

d、 隔膜被導(dǎo)電顆粒或正負(fù)極尖刺刺入，但是沒刺穿，正負(fù)極仍為絕緣狀態(tài);

e、 電芯中混有導(dǎo)電顆粒，但是導(dǎo)電顆粒卻沒有刺入隔膜中，而是刺入正極或負(fù)極中。

針對(duì)a，b這種已經(jīng)短路的情況，使用常規(guī)儀器檢測(cè)即可檢出，而針對(duì)c、d這種所謂“微短路”的情況則相對(duì)復(fù)雜，需要下面討論。而e的情況比較特殊，在當(dāng)前的電測(cè)試方法下，現(xiàn)階段來看是無能為力的。

面對(duì)a ~ e的情況，電測(cè)方案中采用的激勵(lì)源大多是直流高電壓，即以本征擊穿和電離擊穿的方式來檢測(cè)隔膜中的是否有孔洞、穿刺，過程監(jiān)測(cè)儀器也不例外，只不過通過過程波形的檢測(cè)參數(shù)更先進(jìn)，以微秒級(jí)的采樣速度來采集激勵(lì)電壓并以波形的方式顯示出來，激勵(lì)期間的若有瞬間的擊穿放電亦可被清晰的捕捉到。

溫度較低、電壓作用時(shí)間較短時(shí)，純凈、均勻固體電介質(zhì)由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)的過程被稱為本征擊穿，表征某種絕緣材料本身耐強(qiáng)電場(chǎng)的性能。

對(duì)于良好的聚烯烴膜來說，是有其自身本征擊穿電壓的，依結(jié)構(gòu)不同，擊穿電壓值幾百伏到上千伏不等。一旦發(fā)生本征擊穿，其絕緣性能將不可恢復(fù)。

所謂電離擊穿是指氣體介質(zhì)在電場(chǎng)作用下發(fā)生碰撞電離而導(dǎo)致電極間貫穿性放電的現(xiàn)象。氣體介質(zhì)擊穿有時(shí)是連續(xù)的，有時(shí)為斷續(xù)，這和很多因素有關(guān)，其中主要的影響因素為作用電壓、電極形狀、氣體的性質(zhì)及狀態(tài)等，符合下圖中的帕邢定律(p為氣壓，d為距離)

一般來說，在大氣壓下，如果要擊穿1mm的空氣，大概需要3KV的電場(chǎng)強(qiáng)度氣體電離擊穿后是可恢復(fù)的，即電場(chǎng)撤去后，兩極之間仍為絕緣狀態(tài)。

案例1：某電芯隔膜厚約35um，膜上出現(xiàn)有一穿孔，但正負(fù)極未真正短路。經(jīng)過試驗(yàn)，正常隔膜本征擊穿電壓值在600~800V之間。試制定激勵(lì)電壓及分析測(cè)試結(jié)果。

解：激勵(lì)電壓的設(shè)定原則是，在不發(fā)生隔膜本征擊穿的情況下，盡量提高激勵(lì)電壓，以發(fā)現(xiàn)隔膜的各種隱患。最大設(shè)定值以小于本征擊穿電壓值的50%為宜。本案例中激勵(lì)電壓擬設(shè)定為300V。根據(jù)隔膜的厚度估算在壓緊的情況下正負(fù)極間的間距應(yīng)小于100um，而這么近的距離，在300V的激勵(lì)電壓下空氣將被電離擊穿。激勵(lì)電壓的設(shè)定符合測(cè)試目的。

測(cè)試過程：某儀器RJ69輸出300V的直流電壓，首先對(duì)被測(cè)的容性電芯進(jìn)行充電，至300V時(shí)保持電壓不變，在充電期間和電壓保持期間，因隔膜穿孔的存在，這個(gè)穿孔空隙處承受了由外加電壓建立起來的大部分高場(chǎng)強(qiáng)，以及空間電荷建立起來的內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)。內(nèi)外場(chǎng)強(qiáng)的疊加造成空隙處的場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生嚴(yán)重畸變，畸變的場(chǎng)強(qiáng)將會(huì)遠(yuǎn)大于原外加場(chǎng)強(qiáng)，這樣空隙處發(fā)生局部放電所需的閾值場(chǎng)強(qiáng)被輕易的建立起來，在電、極端不斷注入電荷(初始粒子)的情況下，穿孔處的氣體分子被激發(fā)碰撞電離，形成電子崩，最終出現(xiàn)斷續(xù)的或持續(xù)的電離擊穿。

與此同時(shí)RJ69監(jiān)視的電壓波形，會(huì)以瞬間的電壓跌落或者持續(xù)的電壓跌落方式來體現(xiàn)這種擊穿現(xiàn)象，而絕緣測(cè)試儀器則以漏電流的突然增加來體現(xiàn)。在有些情況下RJ69的測(cè)試結(jié)果和絕緣電阻測(cè)試的漏電流(絕緣電阻)則略有區(qū)別，以下圖為例來說明：

上圖所示的電芯靜電容量約30nF，電壓跌落值32V,則電離擊穿放電時(shí)正負(fù)極電荷中和的電荷量q = C*δU = 30nF*32V = 960nC，假設(shè)此跌落電壓恢復(fù)為設(shè)定值的時(shí)間δt為3ms，則此δt內(nèi)的平均電流I=960nC/3ms = 320uA

進(jìn)一步來說，絕緣電阻測(cè)試儀數(shù)值結(jié)果的刷新周期在百毫秒級(jí)，如200ms，即上述計(jì)算出來的320uA也要放到200ms的周期內(nèi)再做平均。

這就是波形顯示和數(shù)值顯示的一個(gè)區(qū)別。

案例2：35um的隔膜被導(dǎo)電顆粒或正負(fù)極尖刺刺入約20um，沒有完全刺穿，正負(fù)極仍為絕緣狀態(tài)，在350V的激勵(lì)電壓下，隔膜的損傷機(jī)理是怎樣的?

解：同上述案例1，正常隔膜本征擊穿電壓值在600~800V，尖刺和對(duì)應(yīng)極片之間的剩余隔膜厚度僅為15um，其本征擊穿電壓降到最低257V，如果對(duì)應(yīng)極片和隔膜之間存有空間間隙，則整體擊穿電壓為氣體和隔膜兩者的累計(jì)。在350V下15um的剩余隔膜將發(fā)生本征擊穿，一般此擊穿時(shí)不可恢復(fù)的，再測(cè)試會(huì)發(fā)現(xiàn)正負(fù)極完全短路，如果極片和隔膜存有一定的空氣間隙，則現(xiàn)象為，加很低的電壓即發(fā)生電離擊穿。

此案例還可解釋不均勻隔膜的擊穿現(xiàn)象，即如果隔膜本身的厚度是不均勻的，最薄處15um，則相關(guān)的分析結(jié)果同上，(基本同規(guī)格中的穿刺強(qiáng)度)

案例3：電芯中混入了導(dǎo)電顆粒，但顆粒嵌入到了正極板或負(fù)極板，應(yīng)用高壓擊穿的方案能否檢出?

解：導(dǎo)電顆粒已屬于正極片或負(fù)極片的一部分，在此情況下應(yīng)用高壓擊穿方案進(jìn)行檢測(cè)，這種案例將被識(shí)別為絕緣良好的合格品。