這一次，我們直接看到針刺試驗中電池內部的反應！【附視頻】

本文首發於公衆號“新能源Leader”（ID：newenergy-Leader），作者：憑欄眺。如需轉載請申請授權並註明來源及作者

對於動力電池而言安全是最重要的目標，安全的地位甚至要高於能量密度和循環壽命等指標，爲了保證動力電池在使用中的安全性，安全試驗是必不可少的，對於動力電池而言，擠壓、針刺測試是常見的機械濫用測試。針刺試驗對於鋰離子電池而言通常是最爲嚴酷的測試，在針刺導致短路的瞬間整個電池的電量開始通過短路點開始釋放，導致短路點的電流密度非常大，溫度快速升高，最終導致熱失控。

我們之前對於鋰離子電池在針刺試驗中的描述僅僅是是否起火、爆炸，電池外表最高溫度等指標，由於鋰離子電池的密封結構，使得我們對於針刺過程中電池內部的反應觀測變得困難重重。倫敦大學學院的Donal P. Finegan（第一作者）和ThomasM. M. Heenan（通訊作者）等人通過對針刺用的金屬針進行改造和高速X射線拍攝的方法對針刺試驗過程中鋰離子電池內部的結構變化和溫度變化進行了跟蹤，研究表明針刺的位置和方向都會對針刺實驗的結果產生顯著的影響。

試驗中採用的金屬針的結構如下圖所示，針的總長度爲60mm，外徑爲4mm，內徑爲2mm，並採用瞭如下圖b所示的針頭，然後將直徑爲0.5mm的K型熱電偶插入到上述的針內部空腔，K型熱電偶的測試溫度爲-100℃到800℃，能夠基本覆蓋安全測試中電池溫度範圍。

Donal P. Finegan以18650電池作爲研究目標，採用上述的智能鋼針分別從四個方向對18650電池進行了測試：位置1，從水平方向電池中的中間位置；位置2，垂直方向電池底部偏心位置；位置3，水平位置靠近電池頂部的位置；位置4，垂直方向電池的頂部偏心位置。

（注：圖中電池僅爲演示針刺位置，非實驗所用電池）

下圖爲不同位置進行鍼刺實驗室針尖位置和電池表面溫度的變化曲線，從下圖中的熱成像圖片中能夠看到電池溫度最高的點位於鋼針周圍的位置，同時針刺位置也會對電池內部和表面的溫度產生非常大的影響，從圖中能夠看到，當鋼針從位置2和4穿刺時電池的內部和表面溫度都是最高的，電池內部的最高溫度達到了900℃以上（K型熱電偶最高使用溫度爲800℃）。而從位置3進行穿刺時，電池內部的溫度最低，並且很快下降到了與電池表面相同的溫度，這主要是因爲鋼針發生了一部分形變，並且最後鋼針到達了卷芯與上蓋之間的空腔，從而減緩了電池的熱失控。

從下圖我們還能夠注意到如果針刺的位置不同，那麼電池表面出現最高溫度的位置也會有所區別，如果我們從位置2穿刺，電池表面最高溫度的點出現在電池的上蓋位置，而如果從位置1進行穿刺的話，那麼電池表面的最高溫度則會出現在電池的底部位置，這表明針刺實驗中我們要根據針刺的位置選擇合適的位置測試電池表面的最高溫度。

位置1

首先我們來看一下如果從水平方向電池中間的位置進行穿刺，電池的整個熱失控過程是怎麼樣。從下圖能夠注意到，在鋼針刺入到電池內部後，熱量首先從鋼針邊緣與極片接觸的部分開始產生，隨着溫度的升高，活性物質開始發生分解，從而迅速引發了熱失控。從下圖中1.906s處的照片能夠看到此時內層的電極開始出現輻射狀的裂紋，裂紋的出現會進一步增加正負極之間的短路面積從而減少局部的電流密度，從而使得電池的內部的最高溫度有所下降。從這裏不難看出在針刺的初期，由於局部電流密度非常大，因此溫度很高，此時鋰離子電池熱失控的速度非常快。在針刺實驗2.6545s後18650電池上蓋破裂，大量的氣體和活性物質帶着大量的熱量從上蓋的位置噴出，這也是造成靠近電池上蓋位置的電池表面溫度最高的原因之一。

位置2

接下來我們看一下如果從位置2（垂直方向，電池底部偏心位置）進行鍼刺效果是怎樣的，從下圖中能夠看到在鋼針剛剛插入的時候由於鋼針是沿着極片的方向運行，因此電池並沒有發生熱失控，直到1.9075s後電池才發生了明顯的熱失控的現象，隨着電池內部的壓力的升高電池的底部發生了鼓起的現象，在內部的壓力的作用下也導致了電芯的位置向着電池上蓋的方向移動，在後續的電池噴發中氣體裹挾着從極片上掉下的活性物質從電池的上蓋噴出。因此，爲了避免電池內部積聚過大的壓力，導致爆炸，我們可以在電池的底部增加泄壓裝置，及時將電池內部積聚的壓力釋放掉。

位置3

接下來我們看一下如果從位置3（水平位置靠近電池頂部的位置）處進行鍼刺會怎麼樣，從圖中能夠看到隨着鋼針的刺入，鋼針的兩側產生了不同的壓力，這是因爲電芯在靠近上蓋的位置有更多的空間因而更容易移動，從而將積累的應力釋放，而在靠近底部的方向上電芯難以移動，因此積累了較大的應力，這最終導致鋼針向着應力更小的電池上蓋方向發生了偏移，鋼針的頂部到達了沒有電芯的上蓋位置，這也導致了最終測得的電池內部最高溫度偏低。由於針刺的位置靠近上蓋的位置，因此熱失控中產生的壓力更容易釋放。

位置4

最後我們再來看一下如果從位置4（垂直方向電池的頂部偏心位置）進行穿刺結果是怎麼樣，由於從垂直方向穿刺時只會引起少數幾層電極之間發生短路，因此局部電流密度較大，短路點的溫度達到了920℃以上，我們一般認爲這會造成更爲嚴重的熱失控，但是從本次實驗中能夠看到從水平方向刺入時儘管電池的溫度較低，但是熱失控速率會更快，這表明熱失控擴散主要是受到熱量在電極層之間的擴散速度的影響，而不是短路點的溫度的影響。同時由於位置4更靠近上蓋，因此電池內部的壓力很快就通過上蓋進行了釋放，因此避免了電池內部積累過高的壓力，導致電池發生爆炸。

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Donal P. Finegan的工作表明針刺的位置和方向都對18650電池的熱失控行爲有非常重要的影響，例如雖然在垂直方向進行穿刺時電池內部的溫度最高，但是其熱失控擴散的速率卻比從水平方向上穿刺要更慢一些，這表明熱失控的擴散速度主要受到熱量在電極層之間的傳遞速度的影響，而不是局部短路點溫度的高低。