鉅大LARGE | 點擊量：1681次 | 2021年04月22日
什么是熱失控？是什么原因?qū)е?8650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(fā)生熱失控將會對使用者的人身和財產(chǎn)安全出現(xiàn)嚴重的威脅。內(nèi)短路是最容易引發(fā)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(fā)發(fā)生內(nèi)短路，但是這兩種方法都存在一定的局限性，因此人們又設(shè)計內(nèi)短路器來輔助誘發(fā)鋰離子電池發(fā)生局部內(nèi)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(lián)合NASA的約翰遜宇航中心對內(nèi)短路器在18650電池熱失控研究中的應(yīng)用進行了研究，研究表明內(nèi)短路器的放置位置關(guān)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(nèi)短路器是采用低熔點的石蠟構(gòu)成，當溫度達到57℃時，石蠟就會融化，在石蠟兩側(cè)的電極則會電芯壓力的用途下相互接觸，引發(fā)短路。內(nèi)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(jié)構(gòu)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(tǒng)的加速量熱設(shè)備只能夠分析電池在熱失控中一共出現(xiàn)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(fā)而被帶到周圍空間，DonalP.Finegan等人設(shè)計了如下圖所示的加速量熱設(shè)備，從而實現(xiàn)了關(guān)于噴發(fā)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(shè)置有防爆閥，理想的情況下，熱失控中電池出現(xiàn)的氣體會通過電池的上蓋進行釋放，但是實際中18650電池發(fā)生熱失控時會在短時間內(nèi)出現(xiàn)大量的氣體（3Ah的電池能夠在2s的時間內(nèi)出現(xiàn)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(dǎo)致18650電池熱失控時可能會發(fā)生殼體破碎，從側(cè)面釋放燃燒產(chǎn)物和氣體，這就導(dǎo)致熱失控在電池組內(nèi)擴散的風險大大新增。
為了測試電池結(jié)構(gòu)、內(nèi)短路器放置位置關(guān)于電池熱失控行為的影響，DonalP.Finegan設(shè)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(shù)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(nèi)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(fā)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(fā)，7%的電池從頂部撕裂，2%的電池從側(cè)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(fā)和側(cè)面撕裂的風險，僅有7%的電池從頂部撕裂。
內(nèi)短路器的安放位置也關(guān)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(nèi)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(nèi)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(cè)面撕裂泄壓。假如將內(nèi)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(fā)和撕裂，而54%和62%的電池會從電池的底部發(fā)生噴發(fā)和撕裂。可以看到內(nèi)短路器的放置位置關(guān)于18650電池最終在熱失控中的行為具有顯著的影響，內(nèi)短路器靠近哪一端，則電池在該端噴發(fā)和撕裂的風險就會大大新增。
內(nèi)短路器的放置深度也關(guān)于電池的熱失控行為有一定的影響，將內(nèi)短路器的放置深度從6層調(diào)整為3層后，會導(dǎo)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(fā)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(fā)的情況下，電池在0.02s開始從電池底部呈現(xiàn)傾斜狀態(tài)噴發(fā)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(nèi)部的變化，作者采用高速X射線成像技術(shù)對熱失控中的電池進行了拍攝（視頻3、4和5），下圖a為內(nèi)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(nèi)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(fā)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(nèi)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(nèi)部的氣流在到達電池底部后調(diào)轉(zhuǎn)180度，向電池頂部流動，并將電池內(nèi)部極片和活性物質(zhì)等撕裂，帶到電池上蓋處。
