动力电池性能测试中过放对电池结构及性能的影响测试

动力电池过放是指电池放电至标称截止电压以下的极端行为，常见于续航测试超限、充放电设备故障或电池管理系统（BMS）失效场景。过放并非简单的“电量耗尽”，而是引发电池内部正极结构坍塌、负极锂沉积、电解液分解等多维度损伤的核心诱因。通过针对性测试解析过放的影响机制，既能为电池设计（如正极材料掺杂改性）提供数据支撑，也能指导BMS的过放保护策略优化（如动态调整截止电压），是动力电池性能评估中不可忽视的关键环节。

过放测试的基础逻辑与标准边界

过放的定义需结合电池类型明确：三元锂电池（NCM/NCA）标称截止电压通常为2.5V，过放指放电至2.0V以下；磷酸铁锂电池（LiFePO4）截止电压2.0V，过放至1.5V以下。测试中，过放场景模拟需控制关键变量——放电电流（0.5C、1C、3C）、环境温度（25℃常温vs-10℃低温）与截止条件（电压触发vs容量触发），避免变量混淆导致结果偏差。

例如常温1C过放测试中，电池从满电（4.2V）放电至1.8V时，电压下降至2.5V后曲线斜率明显变陡，说明内部极化加剧；温度小幅升高（≤5℃），源于电解液分解的放热反应。这类基础数据是后续结构分析的“坐标锚点”，能帮研究者区分“正常放电”与“过放”的边界。

过放对正极材料结构的破坏机制

正极是过放的“核心受损区”。以NCM622正极为例，其层状结构依赖Li+在过渡金属层间的有序嵌入/脱出。过放时Li+过度脱出打破电荷平衡，过渡金属离子（Ni2+、Co3+、Mn4+）向Li层迁移，导致层状结构坍塌——XRD测试显示，(003)晶面特征峰强度从1000counts降至300counts以下，同时出现(111)尖晶石相新峰，说明结构从层状转为无序尖晶石相。

更严重的是元素溶解：过放使正极表面Mn离子溶解到电解液（浓度达50ppm以上），溶解的Mn会在负极表面沉积，进一步加剧负极锂沉积。SEM观察发现，过放后的正极颗粒表面有明显裂纹与破碎，原本10μm的二次颗粒分裂为1-2μm的一次颗粒，直接降低正极比容量。

负极的锂沉积与SEI膜异常演化

负极问题源于“电位反转”：正常放电时石墨负极电位维持0.1-0.2V（vs Li+/Li），Li+嵌入石墨层间；过放时负极电位升高至0.5V以上，Li+无法嵌入，反而以金属锂形式沉积在负极表面——TEM测试可见直径约100nm的锂枝晶，这些枝晶可能刺穿隔膜，埋下内部短路隐患。

SEI膜（固体电解质界面）的变化更隐蔽：过放时原本稳定的SEI膜（由Li2CO3、LiF组成）因负极电位升高破裂，电解液中EC等溶剂重新分解，形成更厚（从50nm增至200nm）、更不均匀的SEI膜。XPS测试显示，过放后SEI膜中C元素占比从35%升至50%，O元素从25%降至15%，说明更多有机成分（如聚碳酸酯）堆积，增加电荷转移内阻。

电解液的分解与内部短路风险加剧

电解液是过放的“反应媒介”。过放时，电解液溶剂（EC、DMC）在负极表面还原分解，产生H2、CO等气体——GC-MS测试显示，过放至1.8V的电池中H2浓度达2000ppm，CO达1500ppm。这些气体积累使电池内部压力从常压增至150kPa以上，引发鼓包甚至撑破铝塑膜。

锂盐LiPF6的水解更具腐蚀性：过放时电池内部水分（≤50ppm）与LiPF6反应生成HF，HF会腐蚀正极过渡金属与负极石墨结构，加速结构破坏。同时，气体与HF共同堵塞隔膜微孔（SEM显示微孔从0.1μm缩小至0.05μm以下），增加离子传输阻力。

容量衰减的可逆与不可逆分量解析

过放后的容量衰减分“可逆损失”与“不可逆损失”。以NCM622电池为例，过放至1.8V后，第一次充电容量仅恢复初始的75%，其中不可逆损失约20%（正极结构坍塌占12%、负极锂沉积占8%），可逆损失约5%（电解液分解产物部分溶解）。不可逆损失无法通过循环修复，可逆损失可通过1-2次循环恢复。

微分容量曲线（dQ/dV）是解析工具：正常电池在3.7V（正极Li+脱出峰）与0.1V（负极Li+嵌入峰）有明显特征峰；过放后正极峰强度下降60%，负极峰分裂为两个小峰，说明正极结构破坏与负极锂沉积导致活性位点减少。

内阻升高与功率性能的非线性衰减

过放后的内阻升高直接导致功率性能下降。以1C过放至1.8V的电池为例，欧姆内阻从30mΩ增至50mΩ，极化内阻从50mΩ增至120mΩ。欧姆内阻升高源于集流体与电极材料接触不良（如正极颗粒破碎减少与铝箔接触面积），极化内阻升高源于SEI膜增厚（电荷转移阻力增加）与正极Li+扩散速率下降（结构坍塌导致扩散路径变长）。

HPPC测试（混合动力脉冲能力特性）直观展示功率衰减：正常电池5C脉冲放电时，电压从4.2V降至3.0V，维持约10s；过放后的电池相同脉冲下仅维持5s，最低电压降至2.5V以下，无法满足电动汽车加速时的功率需求（通常要求脉冲放电电压≥3.0V）。

过放后的安全性能退化特征

过放显著降低电池热稳定性。加速量热仪（ARC）测试显示，正常NCM622电池热失控起始温度约150℃，过放至1.8V后降至120℃，放热速率从0.5℃/min增至2℃/min——这是因为正极结构破坏导致放热反应（如正极与电解液反应）提前，释放热量更多。

针刺测试反映实际安全风险：正常电池针刺后短路电流约10A，温度升至80℃；过放后的电池短路电流达20A，温度升至150℃甚至冒烟。原因是负极锂枝晶与针刺针接触时，形成更大短路面积，放热更剧烈。这类测试能直接指导电池 PACK 的安全设计（如增加过放保护阈值）。