鉅大LARGE | 點擊量：1690次 | 2021年04月22日
什么是熱失控？是什么原因導致18650電池熱失控呢？
熱失控是鋰離子電池最嚴重的安全事故，一旦鋰離子電池發生熱失控將會對使用者的人身和財產安全出現嚴重的威脅。內短路是最容易引發鋰離子電池熱失控的一種因素，在安全測試中一般我們可以通過擠壓或者針刺的方式來誘發發生內短路，但是這兩種方法都存在一定的局限性，因此人們又設計內短路器來輔助誘發鋰離子電池發生局部內短路。
近日，美國國家可再生能源實驗室的DonalP.Finegan（第一作者，通訊作者）聯合NASA的約翰遜宇航中心對內短路器在18650電池熱失控研究中的應用進行了研究，研究表明內短路器的放置位置關于18650電池在熱失控中的行為具有顯著的影響。
實驗中采用的內短路器是采用低熔點的石蠟構成，當溫度達到57℃時，石蠟就會融化，在石蠟兩側的電極則會電芯壓力的用途下相互接觸，引發短路。內短路器分別放置18650電池電芯的上、中、下三個位置，其中放置的深度分別為3層和6層（如上圖所示）。
實驗中采用的18650電池正極為NMC材料，負極為石墨材料，電池的容量為3.35Ah，電池外殼結構也分為三類：1）外殼厚度220um，有底部防爆閥；2）外殼厚度220um，沒有底部防爆閥；3）外殼厚度250um，沒有底部防爆閥。
傳統的加速量熱設備只能夠分析電池在熱失控中一共出現了多少熱量，為了分析鋰離子電池熱失控中有多少熱量隨著電池噴發而被帶到周圍空間，DonalP.Finegan等人設計了如下圖所示的加速量熱設備，從而實現了關于噴發物帶走的熱量的定量分析。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
18650電池上蓋設置有防爆閥，理想的情況下，熱失控中電池出現的氣體會通過電池的上蓋進行釋放，但是實際中18650電池發生熱失控時會在短時間內出現大量的氣體（3Ah的電池能夠在2s的時間內出現6L的氣體），上蓋的防爆閥不足以釋放所有的氣體，因此也就導致18650電池熱失控時可能會發生殼體破碎，從側面釋放燃燒產物和氣體，這就導致熱失控在電池組內擴散的風險大大新增。
為了測試電池結構、內短路器放置位置關于電池熱失控行為的影響，DonalP.Finegan設計了下表所示的實驗，實驗中總共測試了228只電池，下表中的數字為不同的泄壓方式所占的比例。
從下表c中我們能夠看到，電池不采用內部短路器時，假如電池具有底部防爆閥則全部的電池的底部防爆閥都會開啟，有44%的電池會發生底部撕裂。但是假如沒有底部防爆閥，則有2%的電池會從上部噴發，7%的電池從頂部撕裂，2%的電池從側面撕裂，16%的電池從底部撕裂。這表明底部防爆閥能夠有效的降低電池外殼撕裂的風險。新增殼體厚度到250um能夠有效降低電池噴發和側面撕裂的風險，僅有7%的電池從頂部撕裂。
內短路器的安放位置也關于鋰離子電池的熱失控行為具有顯著的影響，從上表d能夠看到假如內短路器安放在電池的上部會大大新增電池從上部泄壓的風險，從頂部撕裂的概率達到64%。假如將內短路器放置在電池的底部則能夠完全防止從電池上部泄壓，所有的電池都會從電池的底部進行泄壓，但是會有17%的電池從殼體的側面撕裂泄壓。假如將內短路器安置在電池的中間位置，則有8%的電池會從頂部噴發和撕裂，而54%和62%的電池會從電池的底部發生噴發和撕裂。可以看到內短路器的放置位置關于18650電池最終在熱失控中的行為具有顯著的影響，內短路器靠近哪一端，則電池在該端噴發和撕裂的風險就會大大新增。
內短路器的放置深度也關于電池的熱失控行為有一定的影響，將內短路器的放置深度從6層調整為3層后，會導致電池從頂部撕裂的概率有輕微的上升（8%上升到18%），從底部撕裂的概率有輕微的下降（62%下降到45%）。
上圖為兩只分別從頂部和底部噴發的18650電池的熱成像照片（視頻1和視頻2），從上圖g能夠看到在0.08s時電池從上蓋與垂直角度呈60度的方向噴射出火焰。從上圖h可以看到在底部噴發的情況下，電池在0.02s開始從電池底部呈現傾斜狀態噴發出火焰，大約在0.06s后電池底部被融化，火焰開始沿著垂直方向噴射。
為了分析鋰離子電池在熱失控過程中電池內部的變化，作者采用高速X射線成像技術對熱失控中的電池進行了拍攝（視頻3、4和5），下圖a為內短路器放置在上部的電池，黃色箭頭標示出了不同時間電池內部氣流的方向，開始的氣流沿著電池上蓋的泄壓閥釋放，但是隨后在紅色曲線圈出的位置電池殼開始逐漸被撕裂。下圖b為電池從底部噴發的圖片，開始時氣體從中間位置泄放，但是隨后電池底蓋邊緣處開始被融化、撕裂，部分氣體直接從撕裂處噴出。下圖c則為即沒有采用內短路器，也沒有底部泄壓閥的電池，從圖中看到由于電池底部缺少泄壓閥，因此電池內部的氣流在到達電池底部后調轉180度，向電池頂部流動，并將電池內部極片和活性物質等撕裂，帶到電池上蓋處。
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