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)安全產(chǎn)生嚴重的威脅。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。

本文來源：新能源Leader微信號：newenergy-leader作者：憑欄眺

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)短路器的放置位置對于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作用下相互接觸，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。如下圖所示：

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產(chǎn)生了多少熱量，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)了對于噴發(fā)物帶走的熱量的定量分析。

18650電池上蓋設(shè)置有防爆閥，理想的情況下，熱失控中電池產(chǎn)生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)產(chǎn)生大量的氣體（3Ah的電池能夠在2s的時間內(nèi)產(chǎn)生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(fēng)險大大增加。

為了測試電池結(jié)構(gòu)、內(nèi)短路器放置位置對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，如果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。但是如果沒有底部防爆閥，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(fēng)險。增加殼體厚度到250um能夠有效降低電池噴發(fā)和側(cè)面撕裂的風(fēng)險，僅有7%的電池從頂部撕裂。

內(nèi)短路器的安放位置也對于鋰離子電池的熱失控行為具有顯著的影響，從上表d能夠看到如果內(nèi)短路器安放在電池的上部會大大增加電池從上部泄壓的風(fēng)險，從頂部撕裂的概率達到64%。如果將內(nèi)短路器放置在電池的底部則能夠完全避免從電池上部泄壓，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。如果將內(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)短路器的放置位置對于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(fēng)險就會大大增加。

內(nèi)短路器的放置深度也對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%）。

下圖對比了內(nèi)短路器放置位置對于電池熱失控中熱量擴散途徑的影響，從下圖b和c能夠看到內(nèi)短路器的放置位置對于電池熱失控放出的總熱量沒有顯著的影響，但是對于熱失控熱量的擴散途徑具有顯著的影響。對于具有底部防爆閥的電池而言，如果內(nèi)短路器放置在電池的頂部，則有51.1%的熱量會從電池的頂部噴出，11.7%的熱量從電池的底部噴出。但是如果將內(nèi)短路器放置在電池的底部，則只有32.5%的熱量從電池頂部噴出，31.3%的熱量會從電池的底部噴出。

從下圖c能夠看到內(nèi)短路器的放置深度對于鋰離子電池的熱失控行為也有一定的影響，內(nèi)短路器放置深度為6層時，電池放出的總熱量（59kJ）要小于放置深度為3層時（63.1kJ）。同時內(nèi)短路器放置深度比較大時也使得18650電池熱失控從電池底部釋放的熱量也更多。

對比下圖b和d我們還能發(fā)現(xiàn)，在有底部泄壓閥的情況下，熱失控中從電池頂部噴出的熱量大大減少，電池底部噴出的熱量顯著的增加，電池殼體保留的熱量明顯增加，有底部泄壓閥的電池熱失控后重量也要比沒有底部泄壓閥的電池重5g（24%），表明底部泄壓閥能夠有效的降低電池內(nèi)部熱失控過程中的氣壓，從而減少氣流帶走的電池內(nèi)部高溫活性物質(zhì)，降低了熱失控擴散的風(fēng)險。

DonalP.Finegan的研究表明內(nèi)短路器的放置位置、深度都對鋰離子電池熱失控行為具有顯著的影響，內(nèi)短路器靠近電池的哪一端，則電池從該端破裂的風(fēng)險就會大大增加。18650電池殼體的結(jié)構(gòu)也對于鋰離子電池的熱失控行為有明顯的影響，具有底部防爆閥的電池能夠更早的釋放電池內(nèi)部壓力，從而減少氣體積聚，減少電池熱失控中噴出的高溫物質(zhì)，從而有效的減少熱失控在電池組內(nèi)擴散的風(fēng)險。