锂离子电池制造中高电位测试用于金属颗粒检测的建模与实验研究 学术报告

一、 研究团队与发表信息

本研究由Tianxin Chen, Fei Chen, Kunjie Lu, Yue Niu, Xin Lai*， Yuejiu Zheng*， Minggao Ouyang* 共同完成。第一单位是上海理工大学机械工程学院，通讯单位还包括清华大学车辆与运载学院智能绿色汽车与交通全国重点实验室。该研究成果以研究论文（Research Article）形式发表于学术期刊 《Journal of Energy Storage》，卷号为第141卷，出版年份为2026年，文章编号119586。该文在线发表于2025年11月20日，正式接收日期为2025年11月18日。

二、 研究背景与目标

本研究隶属于锂离子电池制造与质量控制领域，具体聚焦于电池生产过程中的缺陷无损检测技术。随着电动汽车和储能系统的快速发展，锂离子电池的安全性与可靠性成为关键制约因素。在电池制造过程中，电极材料的切分、辊压（Calendering）等工序不可避免地会产生金属粉尘，这些金属颗粒异物（Metal Particle Foreign Matter, MPFM）若混入电芯（Cell Stack），将成为严重的安全隐患。它们可能导致电池内部异常自放电，甚至引发内短路和热失控（Thermal Runaway）。因此，在电池注液（Electrolyte Filling）和化成（Formation）之前，对未注液的干态电芯进行严格的质量筛查至关重要。

高电位测试（High-Potential Testing， Hi-pot Testing）作为一种成熟、快速且可在线集成（Inline）的绝缘完整性评估方法，被广泛应用于电池生产线，用于筛查包括MPFM在内的导电性污染物。其原理是通过在电池正负极之间施加高电压，在污染点处诱发局部电场畸变，若畸变足够强则可能引发电离击穿（Electrical Breakdown）或泄漏电流异常，从而识别缺陷。然而，当前工业界采用的Hi-pot测试条件（如常用250V电压）对MPFM，特别是小尺寸颗粒的检测率极低，有研究表明对植入450微米铜颗粒的电芯检测率不足10%。这一瓶颈源于对Hi-pot测试内在检测机理认识的不足，尤其是缺乏一个能够综合考虑制造过程（如热压）中的机械压力效应以及动态击穿物理过程的完整理论模型。

针对上述研究缺口，本研究的核心目标是：深入探究Hi-pot测试对金属污染物（特别是铜颗粒）的检测机理，并通过建立先进的多物理场耦合模型来系统分析关键参数的影响，最终提出有效的检测优化策略。具体研究目标包括：1）制备具有精确可控MPFM缺陷的电池样本，获取关键材料参数；2）建立一个同时耦合机械压力效应和动态电击穿物理过程的三维有限元模型，以模拟Hi-pot测试过程中缺陷附近的电场畸变和击穿行为；3）通过系统的参数研究，量化评估外加电压、机械压力以及缺陷特征（形状、位置、尺寸）对检测有效性的影响；4）通过实验验证仿真所揭示的规律；5）基于上述发现，提出提升异物检测率的优化策略。

三、 详细研究流程与方法

本研究采用了“实验获取参数-建模仿真分析-实验验证与策略提出”的综合性研究范式，工作流程清晰。

1. 缺陷电芯的制备与实验参数获取 研究使用额定容量为2Ah的未注液NCM523/石墨软包锂离子电池作为研究对象。为了模拟生产线上最常见的、危害性极高的铜颗粒污染物，研究团队通过筛分获得了直径50-80微米和80-100微米两组高纯度（≥99.9%）铜颗粒。在干燥间环境下，将电池堆拆解成更小的单元（两片负极夹一片正极），使用精密镊子将单个铜颗粒分别植入正极涂层表面或负极涂层表面，以模拟不同位置的MPFM缺陷。对于每种参数组合，均制备了5个缺陷样本进行统计，并设置了同批次的无缺陷空白对照组以确保结论严谨。

Hi-pot测试实验使用MSK-TE910型热压微短路测试仪进行。该设备可模拟生产线条件，在设定的温度（80°C）、压力（通过施加重物质量换算为0.87至2.83 MPa不等的压强）和时长（热压60秒，测试5秒）下，对电芯施加恒定的高电压（300V, 500V, 700V, 900V），并实时监测泄漏电流以计算绝缘电阻。工业标准通常将绝缘电阻阈值设为1 MΩ，低于此值则判定为不合格（NG）。本研究系统地测试了不同电压、压力、颗粒尺寸和位置组合下的缺陷电芯，共计64个参数组、320次独立测试，以统计NG率（即检测率）。

2. 多物理场耦合三维有限元模型的建立 为实现机理揭示和参数分析，研究团队在COMSOL Multiphysics®（6.3版本）软件中建立了一个创新的三维有限元模型。该模型的核心创新在于首次将机械压力效应与动态电击穿物理过程进行耦合。

• 模型构建： 模型聚焦于包含MPFM缺陷的局部区域，从上至下依次为正极（NCM523）、MPFM（铜球）、隔膜（PP聚丙烯）和负极（石墨）。初始设定MPFM为直径40微米的球体，部分嵌入隔膜（初始嵌入深度10微米），材料厚度依据实测数据设定。
• 机械压力耦合（关键创新点1）： 通过集成胡克定律（Hooke’s Law）和赫兹接触理论（Hertz Theory）来模拟热压过程的影响。胡克定律用于计算阴极、隔膜、阳极材料在均匀压力下的弹性压缩厚度变化。赫兹理论则用于计算坚硬的铜颗粒在压力下压入较软隔膜的嵌入深度（Indentation Depth）。通过这两个理论，模型能够动态更新受压后几何形状，特别是隔膜在颗粒处的局部减薄。
• 静电场仿真： 将未注液的电芯结构等效为平行板电容器，在正极施加电压、负极接地的边界条件下，求解稳态静电场，获得缺陷存在时的电场分布。模拟显示，MPFM会导致电场严重畸变，最大电场强度出现在颗粒与隔膜接触的最薄点。
• 动态电击穿模拟（关键创新点2）： 本研究没有停留在静态电场分析，而是引入了汤森德-米克理论（Townsend-Meek Theory） 来模拟从局部放电到完全击穿的动态过程。该理论虽然最初针对气体放电提出，但其基于“电子崩-空间电荷-自持电离”的核心机制被扩展应用于分析固体介质（此处为隔膜）的局部击穿。模型中定义了击穿指示因子（Breakdown Indicator, BI）：BI=0表示无放电，BI=1表示发生持续放电（Sustained Discharge），BI=2表示发生导致绝缘失效的流注放电（Streamer Discharge），即电击穿。这使模型能够预测在不同测试条件下，缺陷点是否会引发可被检测到的电学事件。

3. 系统性的参数研究与数据分析 利用上述建立并校准的模型，研究进行了系统的仿真参数研究，分析电压、压力、MPFM形状（球体、90°圆锥、60°圆锥）、MPFM位置（正极侧/负极侧）和MPFM尺寸（20-80微米）对检测效果的影响。对于每种参数组合，仿真输出电场强度分布云图和击穿指示因子结果。数据分析侧重于提取最大电场强度、持续放电区域面积、击穿状态等关键指标，并与实验测得的检测率进行对比和关联分析。

四、 主要研究结果

仿真与实验的结果相互印证，系统地揭示了Hi-pot测试的检测机理和关键影响因素。

1. 电压的影响： 仿真表明，在固定压力下，随着测试电压从300V升至900V，缺陷处的最大电场强度从15.0 kV/mm增至44.9 kV/mm，缺陷引发的现象从“无放电”（BI=0）演变为“持续放电”（BI=1），最终到“电击穿”（BI=2）。这清晰地展示了“局部电场增强 → 引发电子崩 → 导致电击穿”的完整失效路径。实验验证了这一趋势：对于正极缺陷，提高电压能显著提升检测率，尤其是在检测小尺寸颗粒时。然而，研究也指出，过度提高电压（例如超过隔膜的理论击穿电压，对于20微米厚、介电强度20 kV/mm的隔膜约为400V）可能损伤合格电芯的隔膜完整性，这解释了为何工业界通常采用较保守的测试电压（150-350V），但也导致了现有方法检测率低的问题。

2. 压力的影响： 仿真揭示了压力通过机械作用加剧缺陷危害的机理。随着压力从0 MPa增加到13.07 MPa，铜颗粒嵌入隔膜的深度线性增加，导致缺陷处剩余隔膜厚度减小，电场畸变更剧烈，最大电场强度从22.5 kV/mm升至40.4 kV/mm，持续放电区域明显扩大。这表明压力主要通过对隔膜结构的机械破坏来降低其绝缘性能。实验证实，对于正极缺陷，在相同电压下，增加压力能有效提高检测率。研究还发现了“机电协同”放大效应：电压和压力同时增加时，产生的最大电场强度提升远超单一参数变化的效果，这为优化测试参数组合提供了关键理论依据。

3. MPFM特性的影响： * 形状： 仿真对比了球体、圆锥体颗粒。结果显示，颗粒形状越尖锐（如60°圆锥），产生的“尖端效应”越显著，电场畸变程度急剧增加（最大电场强度从球体的22.5 kV/mm飙升至60°圆锥的128.0 kV/mm），越容易诱发击穿。这表明生产过程中产生的锋利金属碎屑比球形颗粒危害更大。 * 位置： 仿真和实验均发现了一个重要现象：传统Hi-pot测试对正极侧和负极侧缺陷的检测敏感性存在显著不对称性。在相同的电学条件下（400V， 无压力），正极侧缺陷模型出现了持续放电区域（BI=1），而负极侧缺陷模型则没有。实验数据强烈支持这一发现：即使在高压（900V）和高压力（2.83 MPa）下，负极侧小颗粒缺陷的检测率最高仅为40%，远低于正极侧缺陷的100%。这归因于正极材料（如NCM）的本征电导率远低于负极石墨材料。当MPFM位于正极侧时，电流更倾向于沿高导电的颗粒通道集中，导致其尖端电场高度集中，易于触发局部放电。 * 尺寸： 仿真表明，在相同测试条件下，颗粒尺寸越大（20→80微米），嵌入深度越深，产生的持续放电区域面积越大，峰值电场强度越高。实验也证实，大尺寸颗粒（80-100微米）的检测率普遍高于小尺寸颗粒（50-80微米）。这揭示了传统Hi-pot测试难以检测小尺寸金属颗粒的根本原因。

4. 优化策略的提出 基于上述机理认知，研究提出了几种有潜力的优化方向： * 捕捉持续放电信号： 研究发现，即便不发生完全击穿，缺陷处也频繁出现持续放电（BI=1）。因此，开发高带宽传感器和高速数据采集系统，捕获与持续放电过程相关的瞬态电流或电压脉冲特征，可作为检测小颗粒缺陷的新判据。 * 利用机电协同效应进行信号放大： 在保证不损伤电芯的前提下，优化电压和压力的组合，利用其协同效应放大缺陷引起的电学异常信号。 * 采用双向测试策略： 为克服对负极缺陷检测不敏感的局限性，可采用交替极性或自动极性切换的测试协议。 * 融合人工智能与多维度信号： 例如，通过深度学习分析泄漏电流波形、阻抗谱等宏观电参数与内部电场畸变模式的映射关系，或同步采集电流与红外热成像信号进行信息融合，实现智能缺陷诊断。

五、 研究结论与价值

本研究的核心结论是：通过建立一个创新的、耦合机械压力与动态电击穿物理的三维多物理场模型，首次完整揭示了Hi-pot测试检测金属颗粒异物的机理——“局部电场增强-电子崩引发-介电击穿”的动态序列。研究系统量化了电压、压力、颗粒形状、位置和尺寸等关键参数对检测效能的影响规律，并通过大量实验验证了这些规律。其中，对正/负极缺陷检测不对称性的揭示是对现有认知的重要补充。

该研究具有重要的科学与应用价值。在科学层面，所开发的耦合模型为深入理解Hi-pot测试的复杂物理过程提供了强大的理论框架和仿真工具，突破了以往模型忽略机械耦合和动态击穿的局限。在应用层面，研究结果为锂离子电池制造行业优化Hi-pot测试工艺参数、开发更灵敏的新型检测方法提供了直接的理论依据和可行的技术思路，对于提升电池生产质量、保障电池安全、减少因缺陷导致的成本损失具有重要意义。

六、 研究亮点

1. 方法论创新： 首创性地建立了同时集成胡克定律、赫兹接触理论和汤森德-米克击穿理论的三维有限元模型，实现了对Hi-pot测试过程中“机电-击穿”多物理场耦合动态过程的真实模拟。
2. 机理深度揭示： 不仅分析了静态电场畸变，更通过动态击穿模型，清晰阐述了从局部放电到完全击穿的完整物理链条，深刻揭示了检测原理。
3. 系统性参数研究： 对电压、压力、缺陷形状、位置、尺寸五个关键影响因素进行了全面、系统的仿真与实验研究，得出了量化规律，特别是发现了机电协同放大效应和正负极检测不对称性这两个关键现象。
4. 研究范式完整： 遵循“实验获取参数-建模理论分析-实验验证-提出策略”的完整闭环，论证严谨，结论可靠。
5. 明确的工程指导意义： 基于扎实的机理分析，提出的优化策略（如捕捉持续放电信号、双向测试等）具有明确的针对性和工程应用前景。

七、 其他有价值的讨论

研究在讨论部分也展现了其严谨性和前瞻性。作者明确指出，本研究采用的汤森德-米克理论是对复杂固体击穿机制的一种简化，实际聚合物隔膜的击穿可能还涉及陷阱辅助电荷输运、空间电荷效应、热击穿（Joule热导致局部温升和材料降解）以及电机械失效（麦克斯韦应力导致材料撕裂）等更复杂的机制。将这些模型集成到未来的工作中，将能更精确地描述实际条件下的失效过程。此外，研究也展望了未来需针对不同杂质类型（铝、铁、非金属粉尘等）、开发更精细的材料本构模型、以及进行更深入的实验验证（如使用扫描电镜直接观测击穿通道）等方向。这些讨论为后续研究指明了有价值的路径。