18650电池热失控行为的影响因素都有哪些？
来源：宝鄂实业
2019-04-09 16:14
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热失控是锂离子电池最严重的安全事故，一旦锂离子电池发生热失控将会对使用者的人身和财产安全产生严重的威胁。内短路是最容易引发锂离子电池热失控的一种因素，在安全测试中一般我们可以通过挤压或者针刺的方式来诱发发生内短路，但是这两种方法都存在一定的局限性，因此人们又设计内短路器来辅助诱发锂离子电池发生局部内短路。
近日，美国国家可再生能源实验室的Donal P. Finegan（第一作者，通讯作者）联合NASA的约翰逊宇航中心对内短路器在18650电池热失控研究中的应用进行了研究，研究表明内短路器的放置位置对于18650电池在热失控中的行为具有显著的影响。
实验中采用的内短路器是采用低熔点的石蜡构成，当温度达到57℃时，石蜡就会融化，在石蜡两侧的电极则会电芯压力的作用下相互接触，引发短路。内短路器分别放置18650电池电芯的上、中、下三个位置，其中放置的深度分别为3层和6层（如上图所示）。
实验中采用的18650电池正极为NMC材料，负极为石墨材料，电池的容量为3.35Ah，电池外壳结构也分为三类：1）外壳厚度220um，有底部防爆阀；2）外壳厚度220um，没有底部防爆阀；3）外壳厚度250um，没有底部防爆阀。
传统的加速量热设备只能够分析电池在热失控中一共产生了多少热量，为了分析锂离子电池热失控中有多少热量随着电池喷发而被带到周围空间，Donal P. Finegan等人设计了如下图所示的加速量热设备，从而实现了对于喷发物带走的热量的定量分析。
18650电池上盖设置有防爆阀，理想的情况下，热失控中电池产生的气体会通过电池的上盖进行释放，但是实际中18650电池发生热失控时会在短时间内产生大量的气体（3Ah的电池能够在2s的时间内产生6L的气体），上盖的防爆阀不足以释放所有的气体，因此也就导致18650电池热失控时可能会发生壳体破碎，从侧面释放燃烧产物和气体，这就导致热失控在电池组内扩散的风险大大增加。
为了测试电池结构、内短路器放置位置对于电池热失控行为的影响，Donal P. Finegan设计了下表所示的实验，实验中总共测试了228只电池，下表中的数字为不同的泄压方式所占的比例。
从下表c中我们能够看到，电池不采用内部短路器时，如果电池具有底部防爆阀则全部的电池的底部防爆阀都会开启，有44%的电池会发生底部撕裂。但是如果没有底部防爆阀，则有2%的电池会从上部喷发，7%的电池从顶部撕裂，2%的电池从侧面撕裂，16%的电池从底部撕裂。这表明底部防爆阀能够有效的降低电池外壳撕裂的风险。增加壳体厚度到250um能够有效降低电池喷发和侧面撕裂的风险，仅有7%的电池从顶部撕裂。
内短路器的安放位置也对于锂离子电池的热失控行为具有显著的影响，从上表d能够看到如果内短路器安放在电池的上部会大大增加电池从上部泄压的风险，从顶部撕裂的概率达到64%。如果将内短路器放置在电池的底部则能够完全避免从电池上部泄压，所有的电池都会从电池的底部进行泄压，但是会有17%的电池从壳体的侧面撕裂泄压。如果将内短路器安置在电池的中间位置，则有8%的电池会从顶部喷发和撕裂，而54%和62%的电池会从电池的底部发生喷发和撕裂。可以看到内短路器的放置位置对于18650电池最终在热失控中的行为具有显著的影响，内短路器靠近哪一端，则电池在该端喷发和撕裂的风险就会大大增加。
内短路器的放置深度也对于电池的热失控行为有一定的影响，将内短路器的放置深度从6层调整为3层后，会导致电池从顶部撕裂的概率有轻微的上升（8%上升到18%），从底部撕裂的概率有轻微的下降（62%下降到45%）。
上图为两只分别从顶部和底部喷发的18650电池的热成像照片（视频1和视频2），从上图g能够看到在0.08s时电池从上盖与垂直角度呈60度的方向喷射出火焰。从上图h可以看到在底部喷发的情况下，电池在0.02s开始从电池底部呈现倾斜状态喷发出火焰，大约在0.06s后电池底部被融化，火焰开始沿着垂直方向喷射。
为了分析锂离子电池在热失控过程中电池内部的变化，作者采用高速X射线成像技术对热失控中的电池进行了拍摄（视频3、4和5），下图a为内短路器放置在上部的电池，黄色箭头标示出了不同时间电池内部气流的方向，开始的气流沿着电池上盖的泄压阀释放，但是随后在红色曲线圈出的位置电池壳开始逐渐被撕裂。下图b为电池从底部喷发的图片，开始时气体从中间位置泄放，但是随后电池底盖边缘处开始被融化、撕裂，部分气体直接从撕裂处喷出。下图c则为即没有采用内短路器，也没有底部泄压阀的电池，从图中看到由于电池底部缺少泄压阀，因此电池内部的气流在到达电池底部后调转180度，向电池顶部流动，并将电池内部极片和活性物质等撕裂，带到电池上盖处。
下图对比了内短路器放置位置对于电池热失控中热量扩散途径的影响，从下图b和c能够看到内短路器的放置位置对于电池热失控放出的总热量没有显著的影响，但是对于热失控热量的扩散途径具有显著的影响。对于具有底部防爆阀的电池而言，如果内短路器放置在电池的顶部，则有51.1%的热量会从电池的顶部喷出，11.7%的热量从电池的底部喷出。但是如果将内短路器放置在电池的底部，则只有32.5%的热量从电池顶部喷出，31.3%的热量会从电池的底部喷出。
从下图c能够看到内短路器的放置深度对于锂离子电池的热失控行为也有一定的影响，内短路器放置深度为6层时，电池放出的总热量（59kJ）要小于放置深度为3层时（63.1kJ）。同时内短路器放置深度比较大时也使得18650电池热失控从电池底部释放的热量也更多。
对比下图b和d我们还能发现，在有底部泄压阀的情况下，热失控中从电池顶部喷出的热量大大减少，电池底部喷出的热量显著的增加，电池壳体保留的热量明显增加，有底部泄压阀的电池热失控后重量也要比没有底部泄压阀的电池重5g（24%），表明底部泄压阀能够有效的降低电池内部热失控过程中的气压，从而减少气流带走的电池内部高温活性物质，降低了热失控扩散的风险。
Donal P. Finegan的研究表明内短路器的放置位置、深度都对锂离子电池热失控行为具有显著的影响，内短路器靠近电池的哪一端，则电池从该端破裂的风险就会大大增加。18650电池壳体的结构也对于锂离子电池的热失控行为有明显的影响，具有底部防爆阀的电池能够更早的释放电池内部压力，从而减少气体积聚，减少电池热失控中喷出的高温物质，从而有效的减少热失控在电池组内扩散的风险。
