鋰電池芯在高壓激勵下的擊穿機制

鋰電電芯的隔膜是一種多孔的聚烯烴膜，具有電子絕緣性，保證了正負極的機械隔離而不致短路，同時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。

正常隔膜的結構如上圖所示?？椎拇笮〖胺植紤蔷鶆虻摹Ｔ谘b配電芯的過程中，可能會發生如下一些情況：

a、 隔膜可能錯位，導致正負極短路;

b、 隔膜因種種原因，可能被撕裂或刺穿成大孔，導致正負極短路;

c、 隔膜雖然被撕裂或刺穿成大孔，但正負極間卻未真正短路;

d、 隔膜被導電顆?；蛘摌O尖刺刺入，但是沒刺穿，正負極仍為絕緣狀態;

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

針對a，b這種已經短路的情況，使用常規儀器檢測即可檢出，而針對c、d這種所謂“微短路”的情況則相對復雜，需要下面討論。而e的情況比較特殊，在當前的電測試方法下，現階段來看是無能為力的。

面對a ~ e的情況，電測方案中采用的激勵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隔膜中的是否有孔洞、穿刺，過程監測儀器也不例外，只不過通過過程波形的檢測參數更先進，以微秒級的采樣速度來采集激勵電壓并以波形的方式顯示出來，激勵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、電壓作用時間較短時，純凈、均勻固體電介質由絕緣狀態突變為良導電狀態的過程被稱為本征擊穿，表征某種絕緣材料本身耐強電場的性能。

對于良好的聚烯烴膜來說，是有其自身本征擊穿電壓的，依結構不同，擊穿電壓值幾百伏到上千伏不等。一旦發生本征擊穿，其絕緣性能將不可恢復。

所謂電離擊穿是指氣體介質在電場作用下發生碰撞電離而導致電極間貫穿性放電的現象。氣體介質擊穿有時是連續的，有時為斷續，這和很多因素有關，其中主要的影響因素為作用電壓、電極形狀、氣體的性質及狀態等，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的電場強度氣體電離擊穿后是可恢復的，即電場撤去后，兩極之間仍為絕緣狀態。

案例1：某電芯隔膜厚約35um，膜上出現有一穿孔，但正負極未真正短路。經過試驗，正常隔膜本征擊穿電壓值在600~800V之間。試制定激勵電壓及分析測試結果。

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

測試過程：某儀器RJ69輸出300V的直流電壓，首先對被測的容性電芯進行充電，至300V時保持電壓不變，在充電期間和電壓保持期間，因隔膜穿孔的存在，這個穿孔空隙處承受了由外加電壓建立起來的大部分高場強，以及空間電荷建立起來的內部場強。內外場強的疊加造成空隙處的場強發生嚴重畸變，畸變的場強將會遠大于原外加場強，這樣空隙處發生局部放電所需的閾值場強被輕易的建立起來，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碰撞電離，形成電子崩，最終出現斷續的或持續的電離擊穿。

與此同時RJ69監視的電壓波形，會以瞬間的電壓跌落或者持續的電壓跌落方式來體現這種擊穿現象，而絕緣測試儀器則以漏電流的突然增加來體現。在有些情況下RJ69的測試結果和絕緣電阻測試的漏電流(絕緣電阻)則略有區別，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,則電離擊穿放電時正負極電荷中和的電荷量q = C*δU = 30nF*32V = 960nC，假設此跌落電壓恢復為設定值的時間δt為3ms，則此δt內的平均電流I=960nC/3ms = 320uA

進一步來說，絕緣電阻測試儀數值結果的刷新周期在百毫秒級，如200ms，即上述計算出來的320uA也要放到200ms的周期內再做平均。

這就是波形顯示和數值顯示的一個區別。

案例2：35um的隔膜被導電顆?；蛘摌O尖刺刺入約20um，沒有完全刺穿，正負極仍為絕緣狀態，在350V的激勵電壓下，隔膜的損傷機理是怎樣的?

解：同上述案例1，正常隔膜本征擊穿電壓值在600~800V，尖刺和對應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，如果對應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。在350V下15um的剩余隔膜將發生本征擊穿，一般此擊穿時不可恢復的，再測試會發現正負極完全短路，如果極片和隔膜存有一定的空氣間隙，則現象為，加很低的電壓即發生電離擊穿。

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

案例3：電芯中混入了導電顆粒，但顆粒嵌入到了正極板或負極板，應用高壓擊穿的方案能否檢出?

解：導電顆粒已屬于正極片或負極片的一部分，在此情況下應用高壓擊穿方案進行檢測，這種案例將被識別為絕緣良好的合格品。