這一次，我們筆直看到針刺實驗中電池內部的反應！

關于動力鋰離子電池而言安全是最緊要的目標，安全的地位甚至要高于能量密度和循環壽命等指標，為了保證動力鋰離子電池在使用中的安全性，安全實驗是必不可少的，關于動力鋰離子電池而言，擠壓、針刺探測是常見的機械濫用探測。針刺實驗關于鋰電池而言通常是最為嚴酷的探測，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。

我們之前關于鋰電池在針刺實驗中的描述僅僅是是不是起火、爆炸，電池外表最高溫度等指標，由于鋰電池的密封結構，使得我們關于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DonalP.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射線拍攝的辦法對針刺實驗過程中鋰電池內部的結構變化和溫度變化進行了跟蹤，研究聲明針刺的位置和方向都會對針刺試驗的結果出現顯著的影響。

實驗中采用的金屬針的結構如下圖所示，針的總長度為60mm，外徑為4mm，內徑為2mm，并采用了如下圖b所示的針頭，然后將直徑為0.5mm的K型熱電偶插入到上述的針內部空腔，K型熱電偶的探測溫度為-100℃到800℃，能夠基本傾覆安全探測中電池溫度范圍。

DonalP.Finegan以18650電池作為研究目標，采用上述的智能鋼針分別從四個方向對18650電池進行了探測：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：圖中電池僅為演示針刺位置，非試驗所用電池）

下圖為不同位置進行針刺試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于鋼針周圍的位置，同時針刺位置也會對電池內部和表面的溫度出現非常大的影響，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為800℃）。而從位置3進行穿刺時，電池內部的溫度最低，并且很快下降到了與電池表面相同的溫度，這緊要是因為鋼針發生了一部分形變，并且最后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。

從下圖我們還能夠留意到倘若針刺的位置不同，那么電池表面出現最高溫度的位置也會有所差別，倘若我們從位置2穿刺，電池表面最高溫度的點出今朝電池的上蓋位置，而倘若從位置1進行穿刺的話，那么電池表面的最高溫度則會出今朝電池的底部位置，這聲明針刺試驗中我們要依據針刺的位置選擇適宜的位置探測電池表面的最高溫度。

位置1

首先我們來看一下倘若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如何。從下圖能夠留意到，在鋼針刺入到電池內部后，熱量首先從鋼針邊緣與極片接觸的部分開始出現，隨著溫度的升高，活性物質開始發生分析，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新增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。從這里不難看出在針刺的初期，由于局部電流密度非常大，因此溫度很高，此時鋰電池熱失控的速度非常快。在針刺試驗2.6545s后18650電池上蓋破碎，大量的氣體和活性物質帶著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由之一。

位置2

接下來我們看一下倘若從位置2（垂直方向，電池底部偏心位置）進行針刺效果是如何的，從下圖中能夠看到在鋼針剛剛插入的時候由于鋼針是沿著極片的方向運行，因此電池并沒有發生熱失控，直到1.9075s后電池才發生了分明的熱失控的現象，隨著電池內部的壓力的升高電池的底部發生了鼓起的現象，在內部的壓力的用途下也導致了電芯的位置向著電池上蓋的方向移動，在后續的電池噴射中氣體裹挾著從極片上掉下的活性物質從電池的上蓋噴出。因此，為了戒備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新增泄壓裝置，及時將電池內部積聚的壓力釋放掉。

位置3

接下來我們看一下倘若從位置3（水平位置靠近電池頂部的位置）處進行針刺會如何，從圖中能夠看到隨著鋼針的刺入，鋼針的兩側出現了不同的壓力，這是因為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，這最終導致鋼針向著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。由于針刺的位置靠近上蓋的位置，因此熱失控中出現的壓力更容易釋放。

位置4

最后我們再來看一下倘若從位置4（垂直方向電池的頂部偏心位置）進行穿刺結果是如何，由于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，我們一般認為這會造成更為嚴重的熱失控，但是從本次試驗中能夠看到從水平方向刺入時盡管電池的溫度較低，但是熱失控速率會更快，這聲明熱失控擴散緊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。同時由于位置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，因此戒備了電池內部積累過高的壓力，導致電池發生爆炸。

DonalP.Finegan的工作聲明針刺的位置和方向都對18650電池的熱失控行為有非常緊要的影響，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，這聲明熱失控的擴散速度緊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。

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