毫秒定生死：电芯滥用测试，从国标要求到非标定制

元能科技 2026-09-21 | 阅读：32

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锂离子电池的安全性是新能源产业的生命线。滥用测试旨在主动将电池置于极限工况（主要是热、电气、机械三类滥用条件）下，考核电池的安全耐受边界（部分工况下会触发热失控），以此验证非正常状态下的安全冗余。三类滥用触发机理完全不同（如图1）：热滥用以外部热量输入为直接诱因；电滥用以非正常电流注入/流出引发内部副反应与焦耳热持续累积；机械滥用先造成结构失效，内部短路产生的焦耳热为次生诱因；三者最终均可能诱发链式热失控。

因消费类电芯、动力电池电芯、储能电池电芯相关标准要求和检测方法不尽相同，本文大致汇总了三类滥用条件业内流行的各类测试项目（不区分电芯种类，不局限于国标行标），也描述了元能在这一块的一些新型方案，为电池安全评估提供参考。

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图1. 电芯三类滥用方式的输入

1、热滥用

电芯热滥用测试旨在评估电池在各类非正常热应力场景下的安全耐受能力。依据测试场景与目的不同，热滥用测试主要分为以下几种（表1）：

表1. 电芯热滥用的测试项目

德克萨斯大学奥斯汀分校Yang^[1]等人通过时间轴对比，展示了液态锂电池与固态电池在热滥用条件下的热失控阶段差异（图2）。液态电池热失控遵循 SEI 膜分解— 电解液排气—隔膜失效引发内短路—电极与电解液剧烈放热反应的递进逻辑，隔膜失效是失控的核心转折点。硫化物固态电池无液态电解液汽化与隔膜失效环节，中低温阶段稳定性更优，热失效以锂金属负极熔化、固固界面反应、固态电解质高温氧化为核心路径，但高温下仍会发生剧烈放热反应并最终触发热失控。

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图2. 热滥用条件下热失控的阶段特征

2、电滥用

电芯电滥用测试旨在评估电池在各类非正常电应力场景下（非正常电气条件）的安全耐受能力。依据测试场景与目的不同，电滥用测试主要分为以下几种（表2）：

表2. 电芯电滥用的测试项目

中国科学技术大学王青松课题组^[2]以钠离子电池为研究对象，设置 0.5C、0.75C、1C 三种充电倍率开展持续过充实验，同步监测电池电压、膨胀力、温度的动态演化规律，系统评估电池的过充安全耐受特性（图3）。测试揭示了电池过充过程中膨胀力呈现初始降低、初次激增、平台期、二次激增的多阶段变化规律，分别对应电极结构退化、阳极钠沉积、副反应加剧等内部反应阶段，并明确了电极结构塌陷、钠沉积起始、温升速率加快对应的特征过充容量节点；结果表明该钠离子电池在不同充电倍率下热失控均触发于180% SOC 左右的过充容量，失效点容量一致性较高，且充电倍率越高，热失控对应的过充容量与SOC越低。

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图3. 不同过充电倍率下多维信号的相互关系：（a-c）电压、膨胀力、温度和过充电容量之间的关系；（d-f）电压、力和温度的相关性。

3、机械滥用

电芯机械滥用测试旨在评估电池在各类机械外力作用场景下的结构完整性与安全耐受能力。依据测试场景与受力形式不同，机械滥用测试主要分为以下几种：

表3. 机械滥用的测试项目

清华大学联合香港城市大学团队发表综述研究^[3]，系统整合锂离子电池针刺热失控领域的实验与建模成果，围绕电池荷电状态（SOC）、钢针材质与直径、穿透深度、电极材料体系、内部短路模式等多维度变量开展系统分析，梳理针刺过程中电压、温度的动态演化规律与失效宏观现象，全面阐释电池机械滥用下的热失控触发机制与安全影响规律（图4）；研究验证了 SOC 超过 60% 时针刺热失控概率翻倍的风险特征，揭示了不同导电特性钢针的产热差异、多类内部短路模式的产热强度区别，量化得出高镍三元电池的热失控传播速度较磷酸铁锂电池快约 8 倍的结论。

图4. 电芯钉刺测试中的关键影响因素、多种内部短路模式及其特征

4、瞬时高频采集的需求

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图5. 电芯失效的瞬时过程

4.1、机械滥用瞬态过程

电池机械滥用引发的失效是典型的毫秒级瞬时过程，从外界触发到内部失效连锁反应的整个作用时间极短（图5）。如果需要完整捕捉失效演化的关键细节，就必须在这个瞬时过程中采用高频信号采集。

· 触发端：外力加载瞬时作用：针刺、钝刺、挤压等外界触发条件均为快速动态加载过程，钢针穿刺、挤压头形变侵入的作用时间处于毫秒量级，外力在极短时间内作用于电芯壳体与极组，瞬间引发结构变形，不存在缓慢过渡阶段。

· 失效端：内部连锁反应毫秒级递进：电芯内部从结构变形、隔膜损坏到内部短路的连锁相互作用几乎瞬时发生：隔膜被穿刺破损后，正负极活性物质直接接触，毫秒级内即可形成局部短路点，短路电流瞬间达到峰值并伴随急剧局地产热；从结构失效到电失效的传导过程极快，整个失效核心过程集中在毫秒时间窗口内。

· 输出端：特征信号瞬态变化：失效过程对应的形变量、冲击力、电压、温度等输出信号均为瞬态响应——例如短路后电压会在数毫秒内骤降，穿刺冲击力会在瞬时达到峰值，常规秒级采样率会直接丢失失效瞬间的峰值数据与变化过程，无法还原真实失效行为。

4.2、瞬态过程采样需求

图6. 电芯针刺实验失效过程

· 采样速率要求：研究短路触发临界条件、冲击力峰值、电压骤降、初始短路电流等核心瞬态机制时，必须采用kHz 级高频采样（通常 1~10 kHz）。由于短路建立、力值冲击、电压跳变均发生在数毫秒至数十毫秒的瞬时尺度，常规秒级或百毫秒级采样会丢失临界跳变点与峰值数据，无法还原真实的失效触发逻辑。

· 多参数时间同步要求：若需对冲击力、形变量、电压、温度等不同维度参数进行时序对比与因果关联分析，必须保证所有采集通道的时间轴绝对对齐，采用统一时基、同步触发的采集系统，才能精准建立 “外界加载→结构失效→短路触发” 的对应关系，准确解析失效的演化机制。

5、元能科技电芯失效瞬间的高频采样方案

针对软包电芯针刺、钝刺、挤压机械滥用测试的场景，元能科技可实现位移、作用力、电压（可选温度）多物理量高频同步采集的集成测试方案，完整还原从机械加载→电芯变形→微短路→完全短路的全过程时序演化特征，为电芯材料、结构安全评估提供可靠的量化原始数据。

· 高速采样：采样率最高达100KHz级别，精准捕捉毫秒级失效瞬态

· 多通道同步：支持位移、电压、电流、压力等传感器共享统一时钟基准，确保各参数毫秒级事件的精确时间对齐

· 灵活适配：覆盖过充电、针刺、挤压、热箱及ARC配合等全场景。

· 高可靠低噪声：在极端测试条件下确保数据精度。

图7呈现了某电芯钝刺实验中，挤压头位移量和电芯受力随时间的变化关系。从曲线上可以看出，在挤压头达到位移极大值后约7.8ms后，压力出现极大值，可用来分析电芯形变量和应力值的相对关系。

图7. 电芯失效的瞬时过程数据采集

6、参考文献

[1] Yang C, et al. Addressing the safety of next-generation batteries[J]. Nature, 2025, 645: 603-613.

[2] Yang J, et al. Thermal runaway in large-capacity sodium-ion batteries: Safety performance evaluation under thermal, electrical, and mechanical abuse conditions[J]. Journal of Energy Storage, 2025, 130: 117405.

[3] Zhao H, Zhang Z, et al. Insight into puncture-induced thermal runaway in lithium-ion batteries to reduce fire risks in electric vehicle collisions[J]. Battery Energy, 2025, 4: e70041.

[4] 参考国标GB 31241-2022、GB 38031-2025、GB/T 36276-2023 等