电池短路测试：安全实验分析

在碳中和、提升能源自给率的大背景下，近年来国家密集出台储能行业相关政策，更是加快布局以锂电池为主体的新型储能技术。但因电池火灾爆炸的事故频发，特别是目前储能电池正往大容量、大型化方向发展，所以电池的安全问题越发引起民众的担忧。在这种情况下，电池就需要先进行一系列严格的模拟测试，确保安全合格后才能交付使用。

电池特别是大容量的储能电池，对安全性要求很高，而外部短路是常见但危害性很高的故障之一。其触发诱因通常包括：电池箱被挤压、穿刺，电池箱密封失效造成液体、水汽或金属粉尘侵入，采样线束短路等。在短路瞬间会产生大电流放电，引发电池温度急剧上升，同时，会导致电滥用与热滥用耦合的情况发生。所以当发生外部短路后，通常在电池内部会发生一系列电化学反应，进而引发一系列放热反应，最终引发火灾爆炸。因此，更加需要进行模拟测试来评判电池在发生外部短路时的安全性。而试验温度、电池SOC状态等参数会对测试结果产生影响，因此本期我们将对比当前国内外有关储能电池短路测试的标准，分析各个标准规定参数的异同点，以及分享MCM在进行短路测试项目时所遇到的异常情况。 

国内外标准分析

? 中国：GB/T 36276-2023《电力储能用锂离子电池》、GB 44240-2024《电能存储系统用锂蓄电池和电池组安全要求》以及钠离子电池相关标准GB/T 44265-2024《电力储能电站  钠离子电池技术规范》中都有要求进行短路测试的项目。

? 美国：美国保险商试验所编制的UL 1973-2022《用于固定和动力辅助电源电池的安全标准》其中也有关于外部短路的测试。

? 国际：IEC 62619-2022《含碱性或其他非酸性电解质的二次电池和电池组-用于工业应用的二次锂电池和电池组的安全要求》

我们将以上标准的外部短路测试要求汇总如下表，并进行分析。

发生外部短路后，电流和电压会在极短时间内分别升高和下降。电流达到峰值后会逐渐降低，原因在于大电流产生焦耳热聚集在电池内部，使得电池内部温度升高，进而致使隔膜产生“闭孔”效应，从而降低了锂离子扩散与迁移的速率，反映到试验现象为电流经历峰值之后逐渐降低。最后，在经历大电流放电后，电流和电压同时进入截止区，此后电压和电流持续为0，预示电池发生了损伤不能再持续放电。

而对于外部短路测试来说，一些参数可能会对测试结果有较大的影响，主要如下：

1）试验温度：除了GB 44240要求57℃较高的温度，其余标准均在室温下测试。在较高温度时，短路峰值电流会增大，会加剧电池的升温程度，从而导致电池更易失效。而低温下，峰值电流会明显减小，从电化学反应角度可以解释为低温下电解液的黏度增大，电导率降低，离子移动速度减慢，导致化学反应速度降低，因而峰值电流更低。

2）SOC：这几个标准都是要求最高SOC。高SOC下的电池具有更多的游离锂离子，有利于大电流的快速产生和相关的热释放，从而增强了电-热耦合效应，电池表现出更大的短路峰值电流、更大的温升速率和更小的短路失效时间。

3）短路电阻：这几个标准当中，GB/T 36276和GB/T 44265要求的短路电阻值最小，只有（0.9±0.1）mΩ。在其他因素一致情况下，外接电阻小的电池会表现出更大的短路峰值电流以及更快的放热速率，测试更严格，对电池的要求更高。而外接电阻值大的电池会表现出更高的最低放电电压，原因在于电阻越大，阻碍了电子的移动速率，导致正负极电势差越大，因而会有更高的最低放电电压。

实验分析

以下是MCM某个有关UL 1973电池簇短路测试项目。该电池簇由电芯组成电池模块，再由电池模块组成电压为1331.2V，总能量为836kWh的电池簇。

对电池簇簇进行短路试验，实测短路电阻为17.5mΩ。同时记录短路过程中的电压与电流参数，监控温度。

通过时间-电压/电流曲线可以很清楚的了解外接短路过程中，电池的电压电流随时间的变化趋势。

? 大约在225s时外接短路，电流电压变化趋势如前面所述，在极短时间内分别上升与下降；

? 在250s时，达到峰值电流与最低放电电压，随后电流逐渐下降；

? 随着试验的继续进行，电流和电压进一步降低，如果此时停止试验，电池还会回升到较高的电压状态。正常情况随着试验持续，电流电压会逐渐降低到0A/0V，进入截止区，此时意味着电池已失效，无法再继续充放电。

但从电压/电流图中看到，接近300s时电压出现异常情况，降低到0V以下。此种现象一般发生在串联组装模组/系统上。原因在于模组内各个电芯存在不一致性，在外部短路发生后，性能不优的电芯发生损伤后进一步过放电，而无法维持电子正向运动，导致反向电子运动和负端电压的产生，这种现象被称为反极性。同时为维持系统总电压平衡状态，其余电芯的电压会上升，表现为系统总电压会逐渐上升最终回到0V。

总结

当前以锂电池为主的新型储能迎来大爆发。而储能电站的大规模使用促使我们必须更加关注该领域电池的安全性能。其中，短路测试是评估储能电池安全性能的重要手段之一。通过模拟电池在不同条件下的短路行为，可以直观地了解电池的耐大电流能力、热稳定性及气体排放特性。这些关键安全指标对于电池的设计与优化至关重要，有助于确保电池在实际使用中的安全可靠。