电气滥用在可见故障发生前很久就会损坏锂离子电池。 过充电会导致正极不稳定、电解液分解、产生热量和氧气，并可能促进导致热失控的锂枝晶生长。过放电会损坏石墨负极及其固体电解质界面（SEI）膜，导致集流体中的铜溶解，并在铜在电池其他部位重新沉积时造成内部短路。实验室封口机、密封机和电池循环测试仪通过制造可重复的电池并施加受控的滥用曲线，使这些失效机制变得可测量。
核心要点： 电气滥用将电化学失衡转化为结构损伤、气体产生、热量和内部短路风险。因此，可靠的安全测试既取决于受控的电气协议，也取决于组装一致且无泄漏的测试电池。
过充电如何损坏电池
正极不稳定和氧气释放
在过充过程中，正极被驱动超出其稳定的锂脱嵌范围。其晶体结构可能变得不稳定，某些正极化学物质可能会从正极释放出大量的氧气。
这些氧气会进一步支持电解液氧化，并加剧电池内部放热反应的严重程度。
电解液分解和发热
过量的充电能量不再有效地用于可逆的锂存储。相反，它会驱动电解液氧化、气体产生以及电极上的寄生反应。
在密封电池中，气体和热量会迅速积聚。负极上的氧复合反应会释放额外的热量，从而升高内部温度和压力。
析锂和枝晶形成
过充电会导致金属锂沉积在负极上，而不是安全地嵌入石墨结构中。这些沉积物可能会发展成针状的锂枝晶。
枝晶可以穿透隔膜并接触正极。由此产生的内部短路会形成局部大电流路径，从而加速加热，在严重情况下，会导致热失控或爆炸。
电气和热警告信号
随着滥用充电的进行，充电效率下降，电池温度开始升高。根据电池化学体系和测试条件，电压可能会达到峰值然后下降，产生负电压增量（即 -ΔV）信号。
因此，温度阈值、温升速率、电压行为和时间限制可以作为安全指标。这些信号应被视为补充性保障，而不是电池安全的证明。
过放电如何损坏电池
石墨变形
过放电迫使锂离开负极，超出了其预期的工作极限。由于电极被驱动到稳定的锂存储窗口之外，石墨结构可能会发生畸变。
这种结构损伤会降低容量、增加电阻，并使后续的循环变得不可预测。
SEI 膜破坏
固体电解质界面（SEI）是在电池早期运行期间在石墨表面形成的一层保护膜。它在调节电解液进一步反应的同时，允许锂离子通过。
深度过放电会破坏或摧毁该层。当电池随后重新充电时，电解液可能会再次分解以重建 SEI 膜，从而消耗活性锂并产生额外的热量和气体。
集流体中的铜溶解
在足够低的电池电位下，负极集流体中的铜会氧化并溶解到电解液中。这是普通深度放电与严重过放电之间的主要区别。
在随后的充电过程中，溶解的铜可能会迁移并沉积在正极附近或正极上。金属沉积物可以在隔膜中形成导电桥，从而造成内部短路。
表面恢复后的延迟失效
深度过放电的电池在充电后可能看起来恢复了正常电压。这种表面的恢复并不能证明电池是安全的。
铜沉积、隔膜损坏和 SEI 退化可能会产生潜在缺陷，这些缺陷会在随后的循环、存储或高功率运行期间显现出来。
实验室组装工具如何实现安全测试
精密封口创造一致的压缩力
扣式电池和其他实验室测试电池依赖于受控的机械压缩。精密封口设备施加可重复的力和几何形状来封闭电池。
一致的压缩有助于控制电极接触、隔膜定位和内部堆叠对齐。如果没有这一点，电池之间的差异可能是由组装差异引起的，而不是由所测试的电解液或电极配方引起的。
密封设备防止不受控的泄漏
可靠的密封限制了电解液泄漏，并减少了与环境的不受控交换。它还有助于保留滥用测试过程中产生的气体，以便能够一致地评估压力和热行为。
密封不良会导致误导性结果：泄漏可能会改变电解液成分，而不一致的密封可能会改变压力积聚或导致过早失效。
标准化组装提高实验有效性
实验室封口机、密封机、垫片和相关夹具有助于标准化：
- 堆叠压缩
- 电极对齐
- 隔膜放置
- 电池封闭
- 密封完整性
- 内部体积
在比较新电解液、粘结剂、隔膜或电极配方的安全裕度时，这种可重复性至关重要。
电气循环测试仪施加受控的滥用曲线
组装工具制造测试样本；自动化电池测试仪和循环测试仪施加电气滥用。研究人员可以编程受控的过充和过放条件，同时记录电压、电流、温度、容量和时间。
这使团队能够确定配方何时开始表现出异常行为，例如电压快速变化、温度升高、容量损失或与内部短路一致的证据。
自动截止减少不受控的升级
面向安全的测试系统可以在达到预设限制时终止测试。典型标准包括：
- 最高电压
- 最低电压
- 绝对温度
- 温升速率
- 负电压增量
- 最长测试持续时间
- 异常电流响应
这些控制措施并不能消除滥用测试的危险。它们降低了受控实验不必要地演变为排气、火灾或热失控的可能性。
将组装质量与化学失效分析联系起来
可重复的电池将原因与症状分开
只有在组装一致的情况下，安全测试才具有可解释性。否则，泄漏、堆叠松动、压缩不均匀或电极错位可能会被误认为是所研究材料的化学局限性。
受控组装为评估电化学降解提供了稳定的机械基准。
受控滥用揭示材料极限
当电池组装一致并在规定条件下循环时，研究人员可以比较以下现象的发生：
- 电解液分解
- 气体产生
- 正极氧释放
- 析锂
- SEI 膜分解
- 铜溶解
- 内部短路行为
这有助于确定安全性的改善是来自电解液、电极、隔膜、保护电路还是测试协议。
测试后检查验证失效机制
电气数据应与物理和化学检查相结合。研究人员可以在测试后检查电极、隔膜、集流体和沉积物，以确定观察到的行为是否与枝晶形成、铜迁移、结构变形或其他损坏一致。
测量信号与测试后证据之间的联系越紧密，定义的安全裕度就越可靠。
理解权衡
更严重的滥用产生更多信息——也带来更多风险
高过充或深度过放条件可以加速失效并迅速揭示弱点。然而，它也增加了火灾、排气、爆炸和实验室设备不可逆损坏的可能性。
因此，滥用条件应从轻微偏差逐步调整到严重极限，并配备适当的防护装置和自动停机系统。
-ΔV 检测并非在所有情况下都足够
在某些充电条件下，负电压变化可能是一个有用的警告信号，但其可靠性取决于电池化学体系、充电速率、温度和测试配置。它不应被视为电压、温度、定时器和硬件保护限制的通用替代品。
可重复组装不能保证化学成分完全相同
精密封口和密封减少了机械差异，但它们无法消除电极涂层、电解液润湿、化成历史、污染或材料均匀性方面的差异。
组装设备改善了实验控制；它不能取代适当的材料表征和质量保证。
过放电损伤可能保持隐藏
没有立即短路、发热或排气的电池可能仍然含有铜沉积物或受损的 SEI 膜。测试应包括随后的充电、循环以及（在适当的情况下）存储观察，以检测延迟失效。
为您的目标做出正确的选择
最可靠的安全计划结合了受控的电池结构、受控的电气滥用和基于证据的失效分析。
- 如果您的主要重点是材料筛选： 使用精密封口和密封来最大限度地减少电池间的差异，然后在相同的过充和过放曲线下比较配方。
- 如果您的主要重点是滥用安全性表征： 使用带有电压、温度、温升速率、电流和时间截止功能的自动化循环测试仪，并辅以适当的防护措施。
- 如果您的主要重点是失效诊断： 将电气和热数据与枝晶、正极损坏、SEI 退化、铜沉积和隔膜穿透的测试后检查相关联。
- 如果您的主要重点是产品保护： 使用实验室滥用测试结果来定义实际电压限制、热保护措施、充电控制和保护电路要求。
安全电气滥用测试是通过控制电池的结构以及将其推向正常工作极限之外的条件来实现的。
总结表：
| 失效模式 | 结构/化学损伤 | 警告信号 | 组装工具实现检测 |
|---|---|---|---|
| 过充电 | 正极不稳定、氧气释放、电解液分解、锂枝晶 | -ΔV、温度升高、气体产生 | 一致的封口、密封和带截止功能的自动化循环测试仪 |
| 过放电 | 石墨变形、SEI 膜破坏、铜溶解 | 电压下降、容量损失、延迟短路 | 精密组装确保可重复的测试电池 |
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