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走进电化学丨电芯针刺下的实时EIS演变
2026-10-19     来源:元能科技(厦门)有限公司   >>进入该公司展台 


1、研究背景


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新能源汽车动力电池在遭受穿刺、挤压等机械滥用条件时,内部隔膜易发生破损,引发正负极直接接触形成短路,进而快速演化为热失控并导致起火爆炸。传统的表面温度监测方式由于热传导滞后效应,往往在温度异常时电池已进入不可逆失效阶段,难以满足早期预警的时效性要求。

电化学阻抗谱(EIS)作为一种非破坏性表征手段,能够从频域角度解析电池内部的电荷转移、离子扩散及界面演化等多尺度动力学过程,对微短路引发的界面结构变化具有高度敏感性。本研究结合全域九点测温与高灵敏EIS实时监测技术,系统开展三元锂电池的针刺失效特性测试,旨在揭示针刺过程中阻抗参数的演变规律,为电池热失控的早期预警提供新的技术路径。


2、实验方法


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图1.针刺实验装置与九点测温布点与测试结果示意图


实验样品:采用NCM6系三元软包电池,容量为20Ah。

温度监测:采用九点均匀布点方案,在电芯表面以3×3阵列布置K型热电偶,覆盖中心区域与边缘,测试开始同步采集温度变化。

阻抗测试:使用元能科技BIT7000阻抗测试仪,可快速进行EIS测试,其测试频率范围覆盖20kHz~10mHz,本文重点追踪10 Hz特征频率下的阻抗变化。

实验方案:设置两组对照实验:A组为快速完全贯穿模式,模拟突发机械损伤场景;B组为步进式针刺模式(每进针1mm静置10min,总针刺深度3mm,针刺3mm后静置4分钟),模拟渐进式损伤演化过程。


3、结果与讨论


提取针刺全过程中10 Hz特征频率下的EIS数据,与同步采集的温度曲线进行对比分析。结果表明,EIS对内部短路的响应显著早于表面温度,时间提前量可达数十秒至数分钟,验证了EIS用于早期失效预警的可行性。

实验方案:提前布置好九点感温线与BIT7000测试夹具后即时启动EIS测试,待人员离场后同步启动针刺装置并同时记录温度数据。


3.1 快速完全贯穿模式(A组):

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图2.快速完全贯穿模式下10 Hz阻抗虚部与九点温度的同步演化


快速贯穿后,电芯内部形成短路,焦耳热持续累积导致温度逐步升高。阻抗方面,10 Hz虚部在针刺瞬间出现突发性骤降,随后呈现短暂回弹并进入缓慢下降阶段。10 Hz虚部骤降源于钢针穿刺造成正负极直接接触,等效并联电阻急剧减小;短暂回弹与短路点局部焦耳热引发的电解质分解产气、接触电阻瞬时增大有关;后续缓慢下降则对应温度升高加速电极反应动力学,使电荷转移阻抗持续降低。


3.2 步进式针刺模式(B组):

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图3.步进式针刺模式下10 Hz阻抗虚部与九点温度的同步演化


步进式针刺下,温度随进针深度增加呈阶梯式升高。10 Hz虚部整体呈现下降趋势,但在每次进针与静置交替过程中出现明显的波动。进针阶段,10 Hz虚部隔膜机械损伤加剧,微短路面积扩大,导致10 Hz虚部快速下降;静置阶段,局部温度升高引起电解质粘度降低、离子电导率提升,同时界面副反应产物累积,二者竞争作用使10 Hz虚部呈现不规则波动。该紊乱特征可作为渐进式机械损伤的重要阻抗标识。


4、结论


元能科技BIT7000阻抗测试仪的快速采样能力实现了针刺过程中实时阻抗追踪。基于上述研究,可建立不同失效模式下的阻抗特征数据库,当监测到10 Hz虚部骤降、紊乱等特征性变化时,即可触发短路预警,为动力电池安全管理提供比传统温度监测更早期、更灵敏的技术手段。

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IEST元能科技作为新型储能器件领域的技术服务先行者,致力于为全球电化学储能提供高效与领先的技术服务解决方案。

元能拥有材料、物理、化学、电化学、光学、机械、电子、计算机、人工智能等多学科多专业交叉的研发团队,围绕表征方法、设备技术、应用方案等开展自主研发,推出多款行业领先的精密仪器,应用于材料、电极、电芯、电化学、智慧实验室等领域的表征与制程,已累计服务全球超1200家客户。

联系方式:180-5987-7081

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