當鋰電池因過充引發熱失控時，0.1 秒內的溫度飆升（可達 800℃以上）與氣體爆炸（釋放 CO、HF 等有毒物質），會對電動汽車、儲能系統造成致命威脅。而決定這一風險的核心變量 —— 封裝形式（袋式、圓柱式、棱柱式），其結構力學特性與熱化學行為的耦合作用，長期被行業忽視。華北電力大學研究團隊通過 “過充階段劃分 - 多維度表征 - 微觀成像” 的系統研究，首次揭示了三種封裝形式的過充耐受 “密碼”，其成果為不同應用場景的電池安全設計提供了精準指導。

一、過充四階段的 “失效密碼”：從副反應到熱失控的臨界躍遷
研究基于電壓 - 溫度曲線的動態特征，結合原位 XRD 監測，將過充過程拆解為四個具有明確物理化學意義的階段，鎖定三大臨界拐點：
VIP 拐點（電壓突變點）：階段 Ⅰ→Ⅱ 的標志，此時 dV/dt 突破 0.05V/min 閾值，正極 LiNi?.8Co?.1Mn?.1（NCM811）開始發生晶格畸變（Ni3?→Ni??的過度氧化），電解液與正極界面出現微量分解；
Vcr 拐點（波峰電壓點）：階段 Ⅱ→Ⅲ 的分界，鋰枝晶生長長度達 8-10μm（超過隔膜厚度），刺穿隔膜后形成局部微短路，電流密度驟增至 100mA/cm2 以上，伴隨 Li?沉積與電解液劇烈放熱反應；
熱失控拐點：階段 Ⅲ→Ⅳ 的爆發點，電壓驟降（＞1V/min）與溫度激增（＞10℃/s）同步發生，正極釋氧（O?）與電解液燃燒反應啟動，電池出現起火或殼體爆裂。
測試數據顯示，三種電池的過充終止 SOC（SOCT）呈現 “棱柱式（180%）＞袋式（165%）＞圓柱式（150%）” 的排序，但安全極限 SOC 卻完全反轉：袋式電池因鋁塑膜無剛性約束，階段 Ⅱ 即出現鼓包（氣體生成量＞50mL），安全極限僅 138%；圓柱式與棱柱式電池分別為 140% 和 137%，印證了 “標稱耐受高≠實際安全裕度大” 的核心規律 —— 棱柱式電池的高 SOCT 源于金屬外殼的高壓抑制，但其邊角應力集中導致熱失控風險更早爆發。

二、封裝結構的 “力學 - 熱學” 耦合：決定過充耐受的底層邏輯
三種封裝形式的結構差異，通過 “力學約束 - 熱擴散路徑 - 物質遷移” 的三維耦合，直接影響過充失效進程：
圓柱式電池（以特斯拉 4680 為例）：不銹鋼外殼提供 0.3-0.5MPa 的均勻徑向壓力，可抑制極片膨脹（過充時膨脹率從 25% 降至 12%）與鋰枝晶生長（生長速率減緩 60%）；圓柱形結構使熱擴散呈放射狀均勻分布，避免局部熱點形成，且頂部泄壓閥可精準控制壓力釋放（開啟壓力 1.2MPa），延緩熱失控；
袋式電池（以消費電子軟包電池為例）：鋁塑膜（厚度 80-100μm）無剛性約束，過充時電解液分解產生的 CO?、CH?等氣體直接導致鼓包，極片變形量達 30% 以上，鋰枝晶穿透隔膜的時間僅為圓柱式電池的 1/3；熱擴散無阻礙，從局部過熱到整體燃燒的時間＜2 秒，安全緩沖期最短；
棱柱式電池（以寧德時代方形電池為例）：鋁殼雖有一定抗壓性（0.2MPa），但邊角處應力集中（是平面區域的 3 倍），過充時溫度易在邊角積聚（可達 200℃，平面區域僅 120℃），引發局部隔膜熔化（熔點 130℃）；剛性結構導致氣體無法釋放，內部壓力驟升至 2MPa 以上，殼體爆裂風險更高。
這種結構差異直接轉化為過充耐受排序：圓柱式電池＞袋式電池＞棱柱式電池，與 IC 曲線、EIS 阻抗分析結果完全吻合。

三、多維度表征的 “退化密碼”：IC 與 EIS 的交叉驗證
研究通過 IC 曲線（dQ/dV）與 EIS 阻抗的協同分析，解析了三種封裝形式的過充退化機制差異：
IC 曲線解析：峰強度下降反映 LAM（活性物質損失）—— 棱柱式電池的正極峰強度衰減最顯著（循環 8 次后下降 35%），因邊角高溫導致 NCM811 晶格坍塌；峰位偏移（＞50mV）對應 LLI（鋰離子損失）—— 袋式電池的峰位移最大，SEI 膜反復重構（厚度從 50nm 增至 150nm）消耗大量活性鋰；LoC（導電性損失）僅在 SOCT＞137% 時顯現，表現為曲線平滑化（峰寬增加 40%），圓柱式電池因集流體腐蝕最輕（Cu 溶解量僅為棱柱式的 1/4），LoC 程度最低；
EIS 阻抗擬合：基于 “Rohm-RSEI-Rct-W” 等效電路模型，高頻區 Rohm（歐姆電阻）增長對應 LoC—— 棱柱式電池的 Rohm 在 SOCT=180% 時增至初始值的 3 倍，因集流體氧化與電解液電阻升高；中低頻區 RSEI（SEI 膜阻抗）與 Rct（電荷轉移阻抗）增長反映 LLI—— 袋式電池的 RSEI 增長最快（達初始值的 5 倍）；擴散阻抗 W 上升關聯 LAM—— 棱柱式電池的 W 值最大，因活性物質晶體結構破壞；
XCT 斷層掃描：圓柱式電池的極片褶皺率僅 5%，無明顯隔膜破損；棱柱式電池的邊角極片褶皺率達 40%，隔膜出現 10-20μm 的穿孔；袋式電池的極片變形呈不規則狀，鋰枝晶分布雜亂（長度 5-15μm）。
關鍵詞：非晶硅鋼涂布機
四、場景化安全策略：封裝選擇與保護設計的協同
基于研究成果，不同應用場景的電池安全設計需差異化適配：
電動汽車動力電池：優先選擇圓柱式電池（如 4680），搭配 “過充保護 IC + 泄壓閥 + 熱隔離層” 的三重防護，將充電終止 SOC 控制在 135% 以下，某車企應用后過充安全事故率下降 90%；
小型消費電子（如手機、手表）：袋式電池雖能量密度占優（比圓柱式高 15%），但需采用 “限流充電（≤1C）+ 溫度監測（＞45℃斷電）” 策略，將安全極限 SOC 嚴格控制在 138% 以內，同時優化鋁塑膜厚度（增至 120μm）提升抗鼓包能力；
大型儲能系統：棱柱式電池需改進殼體設計（邊角圓角處理，減少應力集中），加裝 “壓力傳感器（閾值 1.5MPa）+ 滅火裝置”，并采用 “集群式過充保護”（單電池過充時切斷整組電源），某儲能電站應用后熱失控擴散率降至 0.1%。
鋰電池過充安全的核心，在于封裝結構與熱化學行為的精準匹配。未來需進一步開發 “自適應封裝技術”（如溫度響應型泄壓結構），將封裝形式與過充保護策略深度耦合，才能在提升能量密度的同時，筑牢安全防線。