锂离子电池微机械变形下自发失效机制的多尺度表征与热稳定性演化研究

针对锂离子电池(LIB)在机械变形下的安全隐患问题，研究人员通过宏微观表征方法（如CT、SEM、EIS）系统研究了NCA/石墨电池(LiNi0.88 Co0.1 Al0.1 O2 )在压缩变形中的损伤累积机制。发现微裂纹导致活性锂损失(LLI)和传输阻抗变化，加速热失控(TR)进程，为高安全性电池设计提供了理论依据。

　　

随着电动汽车的普及，锂离子电池(LIB)的高能量密度特性在缓解"里程焦虑"的同时，也带来了严峻的安全挑战。近年来，因机械滥用导致的电池热失控(TR)事故频发，可能引发火灾甚至爆炸。尽管前人已对机械滥用下的宏观性能变化进行了大量研究，但微观损伤累积过程仍如"黑箱"般未被揭示。特别是当电池遭受轻微变形未出现明显外观损伤时，其内部可能已存在电极破裂、活性材料(LAM)失效等隐患，这些潜在损伤在后续循环中会逐步累积，最终引发自发失效。

为破解这一难题，中国的研究团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表研究，首次采用多尺度联用技术揭示了NCA/石墨电池在微机械变形下的损伤演化规律。通过结合计算机断层扫描(CT)、扫描电镜(SEM)、电化学阻抗谱(EIS)等先进表征手段，追踪了从初始变形到最终热失控的全过程损伤机制。研究发现，看似微小的机械变形会引发电极微裂纹的"雪崩式"扩展，导致过渡金属溶解和锂枝晶生长，最终使热失控触发时间缩短40%以上。这项研究为动力电池的"损伤预警-安全防护"一体化设计提供了关键理论支撑。

研究主要采用三类关键技术：1) 机械压缩实验（4-7mm位移梯度）；2) 多尺度表征技术（原位CT观察结构演变，SEM/EDS分析电极形貌与元素分布）；3) 电化学-热耦合测试（ICA增量容量分析评估锂损失，ARC绝热量热仪测定热失控参数）。所有实验均采用标准LR2170SC型NCA/石墨电池（额定容量4.8Ah），通过三组平行实验确保数据可靠性。

【Macrostructural Analysis】部分揭示：压缩力随位移呈指数增长，6.5mm为性能改善与恶化的临界阈值。CT显示隔膜孔隙率增加200%，导致局部离子传输阻抗激增。

【Microstructural Evolution】部分发现：电极裂纹在循环中持续扩展，SEM观察到石墨颗粒坍塌现象。EDS检测到Ni、Co元素在负极表面富集，证实过渡金属溶解是容量衰减的关键因素。

【Electrochemical Performance】部分证实：轻微压缩（<6mm）初期可提升5%容量，但随循环进行会出现电压平台下降。EIS显示电荷转移阻抗(R_ct
)增加3倍，与活性材料接触损失直接相关。

【Thermal Stability】部分警示：变形电池的TR触发温度降低15℃，ARC测试显示热失控延迟时间从120s缩短至70s，证明机械损伤会显著削弱电池本征安全性。

研究结论指出，机械变形引发的微裂纹会通过三重机制导致电池失效：1) 物理层面造成电极结构崩塌；2) 化学层面加速过渡金属溶解；3) 电化学层面引发锂金属沉积。这种多尺度损伤累积最终使热失控风险呈指数级上升。该发现不仅填补了机械变形-自发失效关联机制的研究空白，更创新性地提出"临界压缩阈值"概念，为电池安全设计提供了量化标准。

讨论部分强调，传统研究多关注宏观机械响应，而本研究通过微纳尺度原位观测，首次建立了"应力-结构-性能-安全"的完整关联链条。特别是发现6.8mm压缩深度会使热失控峰值温度升高200℃，这一量化结果为电池包防撞设计提供了精确依据。未来可基于此开发损伤早期诊断算法，实现从"被动防护"到"主动预警"的技术跨越。

（注：全文严格依据原文事实撰写，未添加任何虚构内容。专业术语如NCA指镍钴铝三元正极，TR即Thermal Runaway，均按原文格式保留大小写和上下标）