在導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生內(nèi)短路的因素中，鋰枝晶是最為常見也是最為危險(xiǎn)的因素。鋰枝晶之所以常見是因?yàn)殇囯x子電池的特點(diǎn)所決定的，例如在低溫充電或者大倍率充電時(shí)由于負(fù)極的動(dòng)力學(xué)條件較差，非常容易引起金屬鋰在負(fù)極表面形成鍍層，隨著鍍層的發(fā)展最終會(huì)形成鋰枝晶，鋰枝晶生長到一定的程度就有可能刺穿隔膜引起鋰離子電池內(nèi)短路的發(fā)生。隔膜是阻擋鋰枝晶的最重要的一道防線，鋰枝晶生長到一定程度后就會(huì)和隔膜相遇，對(duì)隔膜形成積壓和針刺等，最終導(dǎo)致隔膜發(fā)生機(jī)械失效，引發(fā)正負(fù)極之間短路。

目前市場上常見的隔膜主要分為三大類：干法拉伸隔膜、濕法工藝隔膜和無紡布工藝隔膜，其中干法拉伸工藝制備的隔膜具有明顯的各向異性，在縱向上具有很高的抗拉強(qiáng)度，在橫向上抗拉強(qiáng)度要明顯弱于橫向。而濕法在各個(gè)方向上都具有類似的抗拉強(qiáng)度，無紡布隔膜則在各個(gè)方向上抗拉強(qiáng)度都比較差。

為了解決鋰枝晶引發(fā)的安全性問題，人們也在開發(fā)具有抑制鋰枝晶功能的多功能復(fù)合隔膜，斯坦福大學(xué)的Kai Liu等開發(fā)了一款三層復(fù)合隔膜，該隔膜中間層為納米SiO2顆粒，納米SiO2顆粒的主要作用是能夠與刺穿隔膜的鋰枝晶發(fā)生反應(yīng)，消耗鋰枝晶，從而阻止鋰枝晶的繼續(xù)生長。該隔膜能夠在負(fù)極產(chǎn)生鋰枝晶后及時(shí)阻斷其生長過程，避免鋰枝晶刺穿隔膜導(dǎo)致正負(fù)極短路。

研究隔膜抗鋰枝晶能力常用的方法就是制作正負(fù)極均為金屬鋰的測試電池，反復(fù)對(duì)該電池進(jìn)行充放電，直到該電池發(fā)生短路，隔膜堅(jiān)持的充放電次數(shù)多或者時(shí)間長則隔膜抗鋰枝晶性能越好。為了能了解鋰枝晶導(dǎo)致隔膜失效的深層次機(jī)理，柏林科技大學(xué)的Fu Sun等對(duì)利用在線X射線相襯成像方法對(duì)鋰枝晶導(dǎo)致隔膜失效的機(jī)理進(jìn)行了深入的研究。實(shí)驗(yàn)揭示了鋰枝晶飾如何產(chǎn)生和生長的，并展示了三層復(fù)合隔膜被鋰枝晶破壞的過程，為改性隔膜提供了提供了重要的指導(dǎo)建議。

實(shí)驗(yàn)中Fu Sun采用了來自celgard的2352型號(hào)隔膜，該隔膜由一層PE（熔點(diǎn)135℃）和兩層PP構(gòu)成（熔點(diǎn)165℃），該隔膜的縱向抗拉強(qiáng)度為1900kg/cm2，橫向方向上僅為135kg/cm2，穿刺強(qiáng)度為300g/cm2，該實(shí)驗(yàn)的原理如下圖所示。

電池開始時(shí)其切面的狀態(tài)如下圖b所示，可見兩個(gè)電極表面很光滑，隨后對(duì)電池進(jìn)行充放電，充放電曲線如下圖d所示，在充電13.5h后，電壓快速下降（紅色尖頭所指位置），說明電池發(fā)生了短路。

短路后電池的三維結(jié)構(gòu)如下圖所示，從圖像上可以看到，開始平整光滑的電極表面已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楹写罅靠锥吹拇植诒砻?。在首次放電的過程中約發(fā)生了0.986C的電荷轉(zhuǎn)移，約10-5mol的Li從負(fù)極轉(zhuǎn)移到了正極，因此在負(fù)極處產(chǎn)生空缺，因此隔膜在正極不斷生長的Li微觀結(jié)構(gòu)的作用下，被推向這個(gè)空缺（圖b-e）。隨后可以看到，由于鋰微觀結(jié)構(gòu)的生長產(chǎn)生了很大的應(yīng)力，導(dǎo)致三層復(fù)合隔膜開始產(chǎn)生裂痕，而中間部分由于短路產(chǎn)生的高溫，而發(fā)生了融化，這也表明目前的干法拉伸工藝制備的三層復(fù)合隔膜，還無法承受鋰微觀結(jié)構(gòu)生長產(chǎn)生的巨大應(yīng)力。

該研究發(fā)現(xiàn)，鋰的沉積過程是非常不均勻的，在正極中間位置產(chǎn)生的鋰結(jié)構(gòu)，是在首次放電的過程中產(chǎn)生，而在首次充電的過程中負(fù)極表面則主要在四周產(chǎn)生了一些鋰微觀結(jié)構(gòu)。為了說明這一現(xiàn)象，F(xiàn)u Sun制作了以r為變量，體積變化為輸出量的函數(shù)，如下圖所示。從下圖的藍(lán)色實(shí)線可以看出，對(duì)于正極，越靠近中間位置則鋰的沉積量越大，從藍(lán)色虛線可以看到，負(fù)極的鋰沉積主要發(fā)生在四周的位置。

所以總上所述，該電池內(nèi)短路發(fā)生的情形應(yīng)該是這樣的，首先雖然在充電的過程中，鋰的沉積主要是在負(fù)極的四周進(jìn)行，但是在負(fù)極的中間位置也產(chǎn)生了鋰的沉積，由于此時(shí)中間位置的隔膜已經(jīng)在放電后發(fā)生了嚴(yán)重的變形，從而導(dǎo)致此處隔膜的強(qiáng)度非常脆弱，于是隔膜被刺穿，正負(fù)極發(fā)生短路，由于短路點(diǎn)的直徑僅為2um，因此瞬間的電流密度達(dá)到了470A/cm2，短路產(chǎn)生的巨大熱量導(dǎo)致SEI膜的分解、隔膜和金屬Li的融化，電壓迅速下降，隨后電流被切斷，溫度迅速下降。該實(shí)驗(yàn)也表明，在內(nèi)短路的過程中由于瞬間產(chǎn)生的熱量過大，三層復(fù)合隔膜是同時(shí)被融化，因此三層復(fù)合隔膜的閉孔機(jī)制，很難在內(nèi)短路的過程中起到保護(hù)作用。因此在后續(xù)的隔膜的開發(fā)和改進(jìn)中，我們需要將隔膜的抗拉強(qiáng)度和穿刺強(qiáng)度進(jìn)一步提高，避免鋰枝晶穿透隔膜導(dǎo)致內(nèi)短路的發(fā)生。其次，我們還需要提高隔膜的熱穩(wěn)定性（165℃以上），以保證在內(nèi)短路發(fā)生時(shí)保證電池不發(fā)生熱失控，例如目前的陶瓷涂層隔膜和全陶瓷隔膜就是一個(gè)很好的選擇，主動(dòng)抑制鋰枝晶生長的多功能復(fù)合隔膜也是提升鋰離子電池安全性的常用的方法。