測(cè)試條件對(duì)鋰離子電池針刺內(nèi)短路的影響和機(jī)理綜述 ①

張震乾，謝樂瓊，王 莉，何向明

(清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084)

1 引言

當(dāng)今，消費(fèi)者對(duì)于乘用車的續(xù)航里程仍存在較大疑慮。國(guó)家補(bǔ)貼政策也在不斷退坡[1]，相比于前幾年，拿到相同補(bǔ)貼需要開發(fā)續(xù)航里程更高的汽車；同時(shí)電動(dòng)汽車的換電模式因?yàn)榇嬖陔姵匾?guī)格不統(tǒng)一、換電站成本高、規(guī)模不足等缺點(diǎn)[2]；且目前電動(dòng)汽車的快充模式還無法達(dá)到與燃油車加油相同的充電速度，仍然無法普及。

以上這些因素促使整車廠以及動(dòng)力電池企業(yè)不斷追求更高能量密度的鋰離子電池，如高鎳正極材料，硅碳負(fù)極材料。而更高能量密度的鋰離子動(dòng)力電池因?yàn)槠浠瘜W(xué)體系更加不穩(wěn)定，其安全性能制約自身的發(fā)展[3]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在2020年共發(fā)生72起新能源汽車起火事故，其中一部分起火原因就是鋰離子電池發(fā)生了內(nèi)短路，而劇烈的內(nèi)短路會(huì)觸發(fā)電池的熱失控[4]，導(dǎo)致悲劇的發(fā)生。

鋰離子電池作為新能源汽車的關(guān)鍵零部件之一，也是能量最高，最危險(xiǎn)的部件之一，其熱失控反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生巨大的危害。因此需要擴(kuò)充對(duì)鋰離子電池安全性的解讀與研究，深入探究鋰離子電池失效分析，包括內(nèi)短路的形成機(jī)理以及克服方式，進(jìn)而從設(shè)計(jì)開發(fā)上避免鋰離子電池?zé)崾Э胤磻?yīng)的發(fā)生，從而避免事故的發(fā)生[5]。匯總了目前學(xué)者采用不同的測(cè)試方法觸發(fā)針刺熱失控反應(yīng)，從測(cè)試條件方面分析針刺內(nèi)短路產(chǎn)生的原理，最后從測(cè)試條件方面提出減緩內(nèi)短路的方法，從而減緩熱失控反應(yīng)的劇烈程度，最后對(duì)針刺內(nèi)短路的探究方向進(jìn)行了展望。

2 鋰離子電池針刺實(shí)驗(yàn)匯總

2.1 針刺速度對(duì)針刺內(nèi)短路的影響

劉仕強(qiáng)、王芳等[6]對(duì)磷酸鐵鋰體系，充電狀態(tài)SOC為100%的圓柱形電池(6.5 Ah)和軟包電池(22 Ah)，采用直徑為3 mm的耐高溫鋼針，以10、25、40、60、80 mm/s的鋼針運(yùn)行速度對(duì)電池樣品進(jìn)行針刺實(shí)驗(yàn)，穿刺點(diǎn)為幾何中心。

圓柱形電池：在不同針刺速度下，電池的溫升速度和最高溫度相差不大，且電壓最后都下降到了0 V。因?yàn)閳A柱形電池的正極、負(fù)極和隔膜通過卷繞的方式放入殼體中，這導(dǎo)致了隔膜的伸展性差，在針刺時(shí)無法很好地包裹住鋼針，使鋼針更易于暴露于正負(fù)極間。

軟包電池：電壓的下降幅度比圓柱形電池小，針刺速度越快，電壓下降幅度越大，溫升速度越快，電池最高溫度也越高。因?yàn)檐洶姵氐木硇臼峭ㄟ^正極-隔膜-負(fù)極-正極這種方式一層層的堆疊出來，所以各層之間的間隙會(huì)比圓柱形電池更大，隔膜的伸展性也比圓柱形電池更好。所以在針刺過程中，隔膜較好的延展特性使其可以部分包裹住鋼針，減少正負(fù)極的短路。在低速針刺時(shí)，隔膜比高速針刺時(shí)的隔膜能更好的包裹住鋼針，所以低速針刺內(nèi)短路不明顯。

彭波、羅瓊瑤等人[7]對(duì)18650圓柱形鈷酸(2.2 Ah，2.6 Ah)和三元鋰電池(2.5 Ah)進(jìn)行不同針刺速度的實(shí)驗(yàn)。鋼針直徑為5 mm，針刺速度為5、10、20、25、30、40 mm/s，穿刺點(diǎn)為幾何中心，穿刺深度為100%。對(duì)于不同材料的3種電池，在不同的速度下電池的升溫速率都比較快，最高溫度都達(dá)到了90 ℃左右，并且與針刺速度并沒有呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性。

Xu[8]等對(duì)1 000 mA的軟包電池進(jìn)行針刺實(shí)驗(yàn)，正極材料是70%鈷酸鋰和30%三元材料，負(fù)極材料是石墨和氧化硅。采用不銹鋼鋼針，鋼針直徑為3 mm。針刺速度為10、20、30、40 mm/s。

在不同的針刺速度下，所有電池均發(fā)生了熱失控，同時(shí)電壓在針刺的瞬間降為0 V。最后，不同針刺速度下的電池達(dá)到的最高溫度相同，升溫速度也基本相同。

Mao[9]等人采用18650電池，正極材料98% Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2和2% LiMn2O4，負(fù)極材料是天然石墨，2 000 mAh容量。鋼針直徑3 mm，采用20、30、40 mm/s的針刺速度，在所有的測(cè)試中，電池均發(fā)生了熱失控。說明針刺速度在某一個(gè)范圍之內(nèi)，對(duì)電池的熱失控反應(yīng)影響不大。

從這三種實(shí)驗(yàn)可以看出，針刺速度是不會(huì)影響到同一種類型的鋰電池是否會(huì)發(fā)生失控。劉仕強(qiáng)等人的實(shí)驗(yàn)中圓柱形電池和軟包電池雖然采用相同的磷酸鐵鋰體系，但是容量變動(dòng)較大，同時(shí)其他電池信息未知，故產(chǎn)生差異的原因較多，隔膜的延展性只能作為參考。

2.2 針刺深度對(duì)針刺內(nèi)短路的影響

彭波、羅瓊瑤等人[7]對(duì)18650型鈷酸鋰電池(2.2 Ah，2.6 Ah)和三元鋰電池(2.5 Ah)進(jìn)行不同針刺深度的實(shí)驗(yàn)。鋼針直徑為5 mm，穿刺點(diǎn)為幾何中心。

對(duì)18650型鈷酸鋰電池2.2 Ah采用5 mm/s的速度，針刺深度為10%、20%、30%、50%、100%。在10%深度時(shí)，電池溫度緩慢升高，最高溫度50 ℃左右，而到了20%之后，最高溫度上升到95 ℃左右，超過50%的深度，電池開始產(chǎn)氣鼓脹。

對(duì)18650型鈷酸鋰電池2.6 Ah采用25 mm/s的速度，針刺深度為10%、20%、30%、50%、100%。在10%針刺深度時(shí)，電池升溫速度較慢，最高溫度達(dá)到了105 ℃，當(dāng)針刺深度20%時(shí)，最高溫度達(dá)到110 ℃。接下來隨著深度的增加，最高溫度并沒有明顯的升高，但是電池升溫速度越來越快，說明電池越來越接近熱失控。

對(duì)于18650型三元鋰電池2.5 Ah采用25 mm/s的速度，針刺深度為10%，20%，30%，40%，50%，100%深度。當(dāng)針刺10%深度時(shí)，電池溫度沒有明顯的變化，當(dāng)針刺深度為30%時(shí)，最高溫度達(dá)到102 ℃左右。

Mao[9]等人采用18650電池，正極材料98% Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2和2% LiMn2O4，負(fù)極材料是天然石墨，2 000 mAh容量。鋼針直徑3 mm，速度30 mm/s。針刺深度分別為6 mm，9 mm，12 mm，刺穿(18 mm)。在實(shí)驗(yàn)中，6 mm針刺深度的情況下4個(gè)實(shí)驗(yàn)中，2個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)生了熱失控，2個(gè)沒有發(fā)生熱失控，而深度更大的9 mm，12 mm或者刺穿的實(shí)驗(yàn)中，所有的電池都出現(xiàn)了熱失控，可以看出，針刺深度會(huì)影響鋰電池的熱失控行為。因?yàn)獒槾躺疃仍缴?，那么?huì)導(dǎo)致更多的電極層和鋼針發(fā)生短路。

所以整體來看，隨著針刺深度的加深，電池升溫速度越快，最高溫度逐漸升高，說明了電池針刺深度加深，內(nèi)短路加劇，釋放能量速度越快，火災(zāi)和爆炸安全風(fēng)險(xiǎn)也越來越高。

2.3 針刺位置對(duì)針刺內(nèi)短路的影響

Xu[8]等對(duì)1 000 mA的鋰電池軟包電池進(jìn)行研究，正極材料是70%鈷酸鋰和30%三元材料，負(fù)極是石墨和氧化硅。鋼針采用不銹鋼針，鋼針直徑為3 mm，針刺速度為20 mm/s。研究針刺位置對(duì)鋰離子電池內(nèi)短路的影響。

該實(shí)驗(yàn)總共針刺4個(gè)部位，如圖1所示。無論針刺在哪個(gè)部位，所有電池均鼓脹、冒煙，最后出現(xiàn)了熱失控。針刺位置C和其他3處地方不一樣，在針刺后電壓出現(xiàn)下降，隨后電壓出現(xiàn)反彈，并出現(xiàn)波動(dòng)，最后降為0 V，如圖2所示。因?yàn)樵陔姵剡吘壔钚晕镔|(zhì)更少，所以短路回路更加容易被打斷。但是因?yàn)殡姵匕l(fā)生了熱失控，所以不同實(shí)驗(yàn)的升溫速率和最高溫度基本相同。

圖1 針刺位置示意圖-1Fig.1 Schematic of nail position-1.

圖2 不同針刺位置的電壓曲線圖[8]Fig.2 Voltage curve at different nail position[8].

Mao[9]等人采用18650電池，正極材料98% Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2和2% LiMn2O4，負(fù)極材料是天然石墨，2 000 mAh容量。鋼針直徑3 mm，針刺速度30 mm/s。對(duì)電池不同位置進(jìn)行針刺，探究針刺位置對(duì)內(nèi)短路的影響，如圖3所示。

圖3 針刺位置示意圖-2Fig.3 Schematic of nail position-2.

在100% SOC的情況下，無論是P1還是P2，P3，所有的電池均發(fā)生了熱失控。說明針刺位置和熱失控?zé)o關(guān)。

Donal等人[10]采用4 mm的不銹鋼針對(duì)18650電池(型號(hào)：LG ICR18650S3)進(jìn)行4個(gè)不同方向的針刺，位置如下：

(1)位置a，水平方向中間位置；

(2)位置b，垂直方向底部偏心位置；

(3)位置c，水平位置靠近電池頂部的位置；

(4)位置d，垂直方向頂部偏心位置，如圖4所示。

圖4 針刺位置示意圖-3Fig.4 Schematic of nail position-3.

結(jié)果4個(gè)方向均發(fā)生了熱失控。但是a，c位置熱失控最高溫度比b，d點(diǎn)的最高溫度要低。因?yàn)椴煌恢玫氖C(jī)理不同，垂直穿透時(shí)(b，d)短路的極片數(shù)量較少，熱失控傳播速度慢，同時(shí)b，d兩處位于電池兩端的位置，熱量傳播較慢，容易積聚，也就沖開泄壓閥的時(shí)間更長(zhǎng)，所以導(dǎo)致了最高溫度較高。而這也可能會(huì)導(dǎo)致在更低的SOC出現(xiàn)熱失控，因?yàn)閍，c處短路熱量可以很快傳遞到兩端進(jìn)行散熱，而b，d處短路容易造成熱量積聚。

因此針刺位置并不會(huì)對(duì)電池內(nèi)短路產(chǎn)生較大影響，從而影響到熱失控的發(fā)生。

2.4 電池SOC對(duì)針刺內(nèi)短路的影響

Xu[8]等對(duì)1 000 mA的鋰電池軟包電池進(jìn)行研究，正極材料是70%鈷酸鋰和30%三元材料，負(fù)極是石墨和氧化硅。鋼針采用不銹鋼針，鋼針直徑為3 mm，針刺速度為20 mm/s。研究電池SOC對(duì)鋰離子電池內(nèi)短路的影響。電池的SOC分為100%，80%，60%，40%，20%，0%。0% SOC的電池針刺后，僅在針刺口出現(xiàn)了輕微的鼓脹。但是100% SOC電池針刺后，產(chǎn)生了非常多的氣體，整個(gè)電池出現(xiàn)了鼓脹現(xiàn)象。從溫度曲線可以看出，高SOC的電池比低SOC的電池有更高的峰值溫度和更快的升溫速率。因?yàn)樵礁逽OC的電池有更高的能量和更多的活性物質(zhì)參與化學(xué)反應(yīng)。

Mao[9]等人采用18650電池，正極材料98% Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2和2% LiMn2O4，負(fù)極材料是天然石墨，2 000 mAh容量。鋼針直徑3 mm，針刺速度30 mm/s。對(duì)0%，50%，75%，100%的電池進(jìn)行了針刺測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：0%和50% SOC電池沒有發(fā)生熱失控，75% SOC電池4個(gè)中有3個(gè)發(fā)生了熱失控，而100% SOC的電池全部發(fā)生了熱失控。對(duì)于0% SOC的電池，花了90 s達(dá)到最高溫度，50% SOC電池僅花了44 s達(dá)到最高值。所以高的SOC會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的熱失控反應(yīng)。

所以電池SOC越高，電池在針刺時(shí)內(nèi)短路更加嚴(yán)重，更容易發(fā)生熱失控。

2.5 鋼針直徑對(duì)針刺內(nèi)短路的影響

Xu[8]等對(duì)1 000 mA的鋰電池軟包電池進(jìn)行研究，正極材料是70%鈷酸鋰和30%三元材料，負(fù)極是石墨和氧化硅。鋼針采用不銹鋼針，針刺速度為20 mm/s，鋼針直徑為3 mm，5 mm，8 mm。通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)：所有的電池都發(fā)生了熱失控，但是8 mm鋼針比3 mm鋼針造成電池鼓脹輕微很多，因?yàn)楦值匿撫槍?dǎo)致更大的孔，更容易造成氣體逸出，所以鼓脹不明顯，同時(shí)更大的孔也會(huì)減少爆炸的極限。而在電池升溫速率方面，鋼針直徑越大，其升溫速度越快，因?yàn)楦蟮匿撫槍?dǎo)致了更大的接觸面積，導(dǎo)致了更多的活性物質(zhì)參與內(nèi)短路反應(yīng)，所以在熱失控開始前會(huì)有更快的溫升。

3 原理分析

針刺導(dǎo)致的內(nèi)短路有多種類型，如上文提到的大部分垂直于極片方向的內(nèi)短路和平行于極片(垂直于18650電池頂部底部刺入)的內(nèi)短路類型等。以下就垂直于極片的內(nèi)短路類型進(jìn)行原理分析總結(jié)。

李宇[11]等人在鋰電池針刺熱失控模型中表示，鋼針刺穿電池后，多個(gè)電極單元被刺破，被刺破的電極單元參與放電，也就是說在電池內(nèi)部形成了短路，電子和鋰離子遷移方向如圖5所示。

圖5 內(nèi)短路模型-1[11]Fig.5 Model of internal short circuit-1[11].

電池內(nèi)短路產(chǎn)生的熱量來源于焦耳熱、反應(yīng)熱、極化熱、副反應(yīng)熱。同時(shí)也指出，電池針刺內(nèi)部短路具體情況難以測(cè)量，因?yàn)槭艿诫姵貎?nèi)阻、短路電流等的影響。最后分析了外部宏觀的電壓變化和表面溫度，也就是針刺會(huì)使得電壓下降以及溫度升高。

李啟全[12]等人分析了鋼針刺入電池時(shí)發(fā)生的連續(xù)短路過程。針尖首先緩慢刺破第一對(duì)電池單元(包含1片正極、1片負(fù)極、1片隔膜)時(shí)，形成短路，其他沒有短路的電池單元都通過第一個(gè)短路點(diǎn)放電，此時(shí)放電電流很大；當(dāng)刺到第二對(duì)電池單元時(shí)，其他沒有短路的電池單元?jiǎng)t通過目前兩處短路點(diǎn)放電，此時(shí)電流會(huì)比前一次短路的電流小；隨著針刺深度的增加，短路的電池單元增多，電流逐漸減小。當(dāng)鋼針扎穿電池時(shí)，短路點(diǎn)發(fā)生在所有的電池單元之間，短路持續(xù)發(fā)生，短路電流最小。如果針刺速度在大于等于厘米/秒這種數(shù)量級(jí)時(shí)，短路電流基本可以認(rèn)為是全部電池單元都通過各自的短路單元同時(shí)放電；如果速度在小于等于毫米/秒這種較慢速度時(shí)，則刺入初始的電池單元的時(shí)候，放電電流最大，瞬間產(chǎn)生的熱量高，溫升快，使得電池SEI膜，正負(fù)極材料，電解液等發(fā)生反應(yīng)，最終導(dǎo)致起火。例如實(shí)驗(yàn)時(shí)針尖剛剛刺破電池表面一個(gè)電池單元就停止，此時(shí)短路電流極大，出現(xiàn)起火的可能性很大。但是這個(gè)無法解釋上文2.2中圓柱形電池在較快速度下隨著針刺深度的加深，電池升溫速度越快，最高溫度逐漸升高的結(jié)論。

Mao[9]等人提出了“糖葫蘆”模型，如圖6所示，可以解釋這一現(xiàn)象。

圖6 內(nèi)短路模型-2[9]Fig.6 Model of internal short circuit-2[9].

在該模型中，將一個(gè)個(gè)短路單元通過鋼針連接，比喻成一個(gè)個(gè)山楂經(jīng)過竹簽串起來，因此形成了“糖葫蘆”模型。在圓柱形電池中，鋼針以較快的速度形成短路時(shí)，產(chǎn)熱通過短路單元放大n倍，n根據(jù)插入的深度來計(jì)算，所以針刺產(chǎn)熱量和鋼針針刺的位置沒有關(guān)系，卻和深度有很大關(guān)系。

該模型適用于圓柱狀卷繞型電池，而對(duì)于軟包電池(層疊結(jié)構(gòu))則不適用，因?yàn)?8650電池采用的是卷芯結(jié)構(gòu)，整個(gè)電池內(nèi)部只有一層正負(fù)極和一層隔膜。不會(huì)形成其他微電池單元通過單個(gè)短路單元放電的情況。

Tokihiko[13]等人則對(duì)軟包層疊電芯進(jìn)行了短路原理分析。鋰電池正極材料是鈷酸鋰，負(fù)極材料是石墨，鋼針?biāo)俣葹?0 mm/s，鋼針直徑1 mm，鋼針角度是30°。

實(shí)驗(yàn)采用2種電池，分別為20 mAh和820 mAh電池，如圖7所示。20 mAh電池含有7層電極片，4層正極(64 mm×6 mm)，3層負(fù)極(74 mm×10 mm)，共形成了6對(duì)電池單元。800 mAh電池含有17層電極片，9層正極(70 mm×70 mm)，8層負(fù)極(74 mm×74 mm)，共形成16對(duì)電池單元。820 mAh電池是由800 mAh和20 mAh電池并聯(lián)堆疊形成，針刺時(shí)，鋼針僅刺入20 mAh電池。針刺后，20 mAh電池沒有出現(xiàn)熱失控，而并聯(lián)堆疊的820 mAh電池中的20 mAh電池出現(xiàn)了熱失控，且鎳集流體(連接800 mAh和20 mAh電池)變紅色。

圖7 20 mAh和820 mAh電池[13]Fig.7 20 mAh and 820 mAh cell[13].

通過拆解發(fā)現(xiàn)，不同極片層的針孔直徑不一樣，通常在第二層負(fù)極片針孔直徑最大，說明在此發(fā)生的內(nèi)短路嚴(yán)重程度最大。鋼針刺入第一個(gè)電池單元會(huì)產(chǎn)生很大的電流，這個(gè)電流包括第一個(gè)短路的電池單元，還包括其他未短路的電池單元對(duì)該短路單元的放電電流。在鋼針造成第二個(gè)電池單元短路時(shí)，仍然是第一個(gè)短路單元的電流更大，因?yàn)榻佑|電阻更小(鋼針針尖是圓錐結(jié)構(gòu)，即鋼針與第一個(gè)電池單元接觸面積大于鋼針與第二個(gè)電池單元的接觸面積，面積越大，電阻越小)。兩個(gè)短路單元電流流經(jīng)同一個(gè)負(fù)極片，而流經(jīng)正極片的電流被第一二個(gè)短路單元分擔(dān)，所以最終導(dǎo)致第二層的銅箔因?yàn)楦邷厝刍?，產(chǎn)生很大的洞。之后短路停止，因?yàn)榈诙拥你~箔沒有接觸鋼針。然后刺穿第三個(gè)電池單元后，又開始了短路。

在該實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)820 mAh電池中的20 mAh電池的正負(fù)極片孔都會(huì)比單個(gè)20 mAh電池的正負(fù)極片孔大，并且820 mAh電池中的20 mAh發(fā)生了熱失控。原因是800 mAh電池在外部持續(xù)給堆疊的20 mAh電池放電，形成內(nèi)短路的電流更大，這個(gè)可以從兩個(gè)電池連接的鎳集流體變紅看出，所以產(chǎn)生的熱量更多，最終出現(xiàn)了熱失控。而單個(gè)20 mAh電池短路電流很小，所以盡管發(fā)生了內(nèi)短路，但沒有熱失控。

除了對(duì)快速針刺進(jìn)行研究外，Tokihiko[14]等人還對(duì)軟包層疊電芯進(jìn)行了慢速針刺。鋼針采用不銹鋼針，直徑5 mm，鋼針角度是30°，針刺速度為3 mm/s，每秒前進(jìn)1次，每次前進(jìn)0.2 mm。通過這種精確的控制，可以使得每次針刺前進(jìn)的情況都基本相同，那么測(cè)試結(jié)果也會(huì)有更高的重復(fù)性。

電池正極采用鈷酸鋰，負(fù)極采用石墨。800 mAh共17層電極片，9層正極(70 mm×70 mm)，8層負(fù)極(74 mm×74 mm)，共形成16對(duì)電池單元。并聯(lián)堆疊60 mAh的電池形成860 mAh的電池。60 mAh電池共17層，9層正極(70 mm×8 mm)，8層負(fù)極(74 mm×10 mm)，共16對(duì)電池單元。420 mAh電池共17層，5層正極片(70 mm×8 mm)，4層正極片(70 mm×70 mm)；3層負(fù)極片(74 mm×10 mm)，5層負(fù)極片(74 mm×74 mm)，共16對(duì)電池單元。

隨后分別對(duì)60 mAh電池、420 mAh電池和860 mAh電池中堆疊的60 mAh電池進(jìn)行針刺實(shí)驗(yàn)。60 mAh的電池第1層極片分裂成2半，但是并沒有產(chǎn)生氣體。420 mAh的電池，每層極片之間的間距變大了，第1層和第3層的正極片均變成了2片，電池有點(diǎn)鼓，但是沒有發(fā)生熱失控。并聯(lián)堆疊在860 mAh電池中的60 mAh電池所有的正極片全部變成了2半，且第1層正極片完全破損了，正極材料也和集流體分離?？梢钥闯觯瑯拥耐獠織l件，對(duì)于軟包層疊結(jié)構(gòu)的鋰離子電池來說，容量越大，能量越大，內(nèi)短路產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)越大，更易造成熱失控。

另外，通過X射線分析860 mAh電池針刺時(shí)，發(fā)現(xiàn)鋼針在刺入并形成第一個(gè)短路單元時(shí)，鋼針針尖會(huì)發(fā)生熔解，證明此時(shí)產(chǎn)生的溫度將超過1 000 ℃，也表明了可能會(huì)熔解銅箔，出現(xiàn)電壓先下降再回升的電壓曲線。

4 總結(jié)和討論

(1)較快針刺速度(如40 mm/s)對(duì)于針刺內(nèi)短路的影響不大[15]。但是速度較慢時(shí)，如0.1 mm/s時(shí)，每次形成短路單元持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致放熱量較大，那么其影響和針刺深度對(duì)鋰電池內(nèi)短路的影響相當(dāng)。

(2)對(duì)于圓柱形層壓卷繞式電池來說，針刺深度越深，內(nèi)短路的單元越多，產(chǎn)生的熱量越多，電池升溫更快，最高溫度更高，更易發(fā)生熱失控。但是對(duì)于軟包層疊電池來說，針刺深度越低，短路點(diǎn)溫度越高，電池更容易發(fā)生熱失控。

(3)針刺位置對(duì)于針刺內(nèi)短路的影響不大。但是考慮到電池不同位置的散熱情況不同(如中心針刺產(chǎn)生的熱量比邊緣針刺的熱量更容易擴(kuò)散到整個(gè)電池)，不同位置活性材料總量不同，最后內(nèi)短路后電池溫升、電壓降也會(huì)不同。

(4)電池SOC對(duì)針刺內(nèi)短路會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。電池SOC越高，容量越高，則針刺短路時(shí)釋放的熱量越多，更易發(fā)生熱失控。

(5)鋼針直徑對(duì)電池內(nèi)短路影響不大。直徑越大，針刺時(shí)接觸面積越大，短路電阻越小，電池會(huì)產(chǎn)生更快的溫升，但是直徑的增加又會(huì)帶來熱量傳遞增加，綜合來看對(duì)熱失控產(chǎn)生的影響不大。

充分利用以上結(jié)論，從測(cè)試條件的角度來減少內(nèi)短路的產(chǎn)生幾率，減少熱失控帶來的危害。例如，在電池正常使用過程中，保持較低的SOC，可以明顯減少內(nèi)短路的影響，從而切斷熱失控的產(chǎn)生，即使產(chǎn)生了熱失控，也可以減少其危害。再比如，在做軟包電池針刺測(cè)試時(shí)，使用較快的速度，較細(xì)的鋼針，熔點(diǎn)更低的鋼針進(jìn)行針刺實(shí)驗(yàn)，可以有效避免內(nèi)短路產(chǎn)生的熱失控。雖然以上各結(jié)論都是基于其他測(cè)試條件相同的條件下得出的，實(shí)際的生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中，會(huì)碰到諸多各種不確定的因素，但我們也能利用這些結(jié)論去定性比較針刺結(jié)果，優(yōu)化測(cè)試方案。

值得注意的是，內(nèi)短路發(fā)生后不一定會(huì)引發(fā)熱失控，也就不一定會(huì)產(chǎn)生安全隱患，這取決于內(nèi)短路的嚴(yán)重程度、持續(xù)時(shí)間，材料的穩(wěn)定性，電池的能量、散熱能力[15]等各種其他因素。Zhao[16]等人建模研究分析5 Ah電池針刺時(shí)產(chǎn)生的熱量，指出當(dāng)電池內(nèi)阻和短路電阻相當(dāng)時(shí)，鋼針和電池接觸界面達(dá)到的溫度是最高的。同時(shí)模擬結(jié)果表明，內(nèi)短路這一過程對(duì)針刺過程中的各種參數(shù)如材料的電導(dǎo)率，鋼針和電池的接觸情況等非常敏感，而這些參數(shù)又與短路情況實(shí)時(shí)相關(guān)，目前的針刺測(cè)試無法精確控制這些參數(shù)的值，所以這是導(dǎo)致針刺實(shí)驗(yàn)結(jié)果不可重復(fù)性的主要原因。后續(xù)不僅需要從宏觀的測(cè)試條件去研究?jī)?nèi)短路過程，也可以從微觀層面、熱力學(xué)方面去研究短路的機(jī)理以及控制方法。

5 展望

目前，雖然在國(guó)標(biāo)GB 38031-2020中針刺測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)取消，但是在電池系統(tǒng)熱失控項(xiàng)目中，針刺仍然作為觸發(fā)熱失控的一種方式，意味著仍需要從系統(tǒng)層面驗(yàn)證電池的抗針刺性能，所以還要考慮針刺測(cè)試方法對(duì)電池內(nèi)短路、熱失控的影響[17]。國(guó)外的測(cè)試方法如SAE_J2464(2009)，USABC(1999)、FreedomCAR(2005)等[18]，以及各個(gè)車企如大眾的PV8450-2019、上汽等企標(biāo)中，都明確地寫出了各種不同的針刺測(cè)試方法，所以仍需要對(duì)針刺內(nèi)短路進(jìn)行深入研究并加以應(yīng)用，解決或者減緩因內(nèi)短路導(dǎo)致的熱失控事件。

另外，鋰離子電池發(fā)生內(nèi)部短路并非完全是由外向內(nèi)造成的，也可能是由內(nèi)而外的。如生產(chǎn)過程中混入的金屬雜質(zhì)顆粒，或者隔膜有洞等[19]，最終在長(zhǎng)時(shí)間使用后造成了內(nèi)短路。那么最終電池的安全性問題也可能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姵氐目煽啃詥栴}[20]。

雖然目前測(cè)試條件對(duì)針刺熱失控的影響并沒有一個(gè)統(tǒng)一的模型，而且短期來看統(tǒng)一的難度較大，但是仍舊需要我們進(jìn)一步研究。當(dāng)掌握更多的影響因素點(diǎn)后，將點(diǎn)連成面，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的解讀，內(nèi)外夾擊，從測(cè)試條件到電池材料方面去解決由于鋰離子電池內(nèi)短路造成的熱失控問題。