針刺觸發(fā)不起火鋰離子電池包熱擴散行為研究

張志萍，范亞飛，王 敏，許輝勇*

（深圳普瑞賽思檢測技術(shù)有限公司，廣東 深圳

鋰離子電池由于使用便捷性而被應用在各種領(lǐng)域，如離網(wǎng)儲能、電動工具、新能源汽車等。鋰離子電池作為車輛動力來源進入新能源汽車市場并快速發(fā)展，里程焦慮和使用安全問題成為了社會的熱點話題。高熱、機械沖擊、擠壓等濫用場景可能導致鋰離子電池觸發(fā)熱失控反應，并可能會進一步導致嚴重的熱擴散。熱擴散是一種電芯熱失控并在整個電池系統(tǒng)中傳播的連鎖反應。在電池包熱失控擴散過程中，電池單體和電池箱內(nèi)可燃物將劇烈燃燒并釋放大量熱量、有毒和易燃氣體，造成巨大的人身財產(chǎn)安全隱患，并對環(huán)境造成嚴重污染[1]。隨著每年數(shù)十起電動汽車起火事故的重大安全問題，GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》要求必須將動力電池熱失控擴散納入汽車的關(guān)鍵測評項目。在該標準中，熱擴散的概念被首次寫入國家標準，旨在確?；馂陌l(fā)生時，乘客有足夠的時間逃生。該項測試同時被寫入UL-9540A[2]、EVS-UN GTR[3]和ISO-26262[4]等國際標準測試條款中。

GB 38031 新標準提供了兩種觸發(fā)電池熱失控的方法，分別為加熱法和針刺法。異物刺穿電池觸發(fā)熱失控并進一步在電池包內(nèi)熱擴散是導致電動汽車嚴重熱事件最可能原因之一，因此本文選擇針刺法來觸發(fā)熱失控。首先按照GB 38031 中要求的針刺觸發(fā)方法對1 并2 串模組進行針刺，研究相鄰電芯熱擴散特征。其次系統(tǒng)分析針刺觸發(fā)電池包熱失控過程的外部溫度特征和熱擴散路徑。最后對電池包滅火特點和存在的問題進行了分析。

1 試驗部分

1.1 電池系統(tǒng)參數(shù)

試驗選用市場主流的鎳鈷錳三元鋰離子電池。電池正極活性物質(zhì)為鎳錳鈷（比例為5：2：3 的三元鋰金屬氧化物），負極活性物質(zhì)為石墨。其中樣品1 為模組，是由2 塊方形電芯串聯(lián)組成。樣品2 為電池包，是由電池管理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和16 個模組組成，其中每個模組由6 塊串聯(lián)的電芯組成。電池包的額定電壓和額定能量分別為364.5 V 和61.3 kWh。試驗前電池模組和電池包均補電至100%SOC。

1.2 針刺試驗

圖1 為模組針刺示意，模組表面共設(shè)置9 個溫度監(jiān)測點（T1～T9）。鋼針沿T1 位置刺入電芯1 直至其觸發(fā)熱失控。T2 溫度監(jiān)測點位于被刺電芯大面中心（靠近隔熱板）。環(huán)境溫感點設(shè)置在電芯防爆閥正上方和模組周圍（T10～T12）。

圖1 模組針刺試驗溫感線分布位置示意

圖2 所示為電池包針刺觸發(fā)熱失控擴散的測試臺架，鋼針和溫感點設(shè)置位置如圖2 所示，測試臺架中鋼針的動能由油壓機提供。油壓機由220 V 交流電驅(qū)動。針刺前沿電池包側(cè)面滑動測試臺架鋼針來控制鋼針的刺入位置，旨在將鋼針刺入電池包內(nèi)部雙層模組的上層模組中，具體的鋼針刺入目標位點選擇圖2中所示的T-7 位置，圖3 為電池包針刺孔。針刺試驗方法按照國標GB 38031 進行。鋼針規(guī)格選用直徑6 mm，錐角45°的不銹鋼鋼針。針刺時以8 mm/s 的速度刺入電池包。

圖2 電池包針刺試驗臺架及溫感線位置分布示意

電池包表面共設(shè)置8 處溫感點，具體位置分別用T-1、T-2、T-3、T-4、T-5、T-6、T-7、T-8 表示，如圖2所示。其中T-7 溫感線采集點位于泄壓閥處，并靠近針刺點，此處的溫度變化將更明顯。

2 結(jié)果與討論

首先進行模組的針刺觸發(fā)熱失控擴散試驗以研究電芯間的熱擴散特征。如圖4 所示，第0.7 s（A 點）時，鋼針刺入電芯1，模組電壓開始下降；第1.5 s（B點）時，模組電壓降至4.19 V。電壓下降期間電芯1 被鋼針刺入的區(qū)域短路放電，這是正負極活性材料接觸、正負極集流體接觸、正極集流體與負極活性材料接觸、負極集流體和正極活性材料接觸、鋼針與電極材料接觸、鋼針與集流體接觸共同作用的結(jié)果。期間電芯1 釋放大量焦耳熱，但由于過程持續(xù)時間短，未監(jiān)測到電芯表面的顯著溫升。第1.5 s 時模組爆炸噴燃，時長為8.5 s，此時T1（鋼針刺入點）和T11（電芯2防爆閥上方10 cm 處）處溫度驟升，是噴射火焰與溫感點接觸造成的。在第10 s（C 點）火焰熄滅時T1 處達到最高溫度528.73 ℃。在此過程釋放的熱量主要來源于電池短路釋放的焦耳熱、化學反應釋放的化學熱和燃燒反應釋放的熱量，其中燃燒反應釋放的熱量在三類熱量來源中貢獻最大[6]。電芯1 的厚度約為40 mm，針刺速度為8mm/s，因此判斷模組在發(fā)生爆炸噴火現(xiàn)象時，鋼針刺入電芯1 的深度約為電芯厚度的16%，說明鋼針在剛刺入電芯16%的深度即觸發(fā)了熱失控。

第10 s（C 點）時，模組噴燃結(jié)束，并釋放大量濃煙，持續(xù)時間長達540 s。如圖5 所示，冒煙結(jié)束時電芯1 的表面溫度（T1）高達277.5 ℃，電芯1 和電芯2之間的溫度（T2）為171.9 ℃。這對電芯2 造成了極大的熱安全風險。由于電芯1 在噴火期間沿防爆閥方向定向噴火釋放熱量，且兩電芯之間有隔熱板，因此電芯2 未觸發(fā)熱失控。若將200 ℃定義為熱失控邊界溫度，電芯1 的表面溫度在第1013 s 時下降到了200℃以下，此時周圍電芯的熱失控風險開始降低（見圖5)。

圖5 模組熱失控過程電壓和溫度變化曲線

根據(jù)圖4 和圖5 熱失控過程中溫升明顯的T1、T11、T6、T7 溫感點溫度變化趨勢，推測在針刺觸發(fā)熱失控過程中，熱量按照熱對流（T1、T11）、熱輻射（T6、T7）、熱傳導（T1、T6、T7）的形式釋放。其中，熱對流持續(xù)時間較短，但對周圍電芯的破壞性較大，其他熱傳遞形式持續(xù)時間較長，對周圍電芯的危害時間更長。如圖6 所示，熱失控期間的電壓-溫升速率可以更直觀地反映這種熱傳遞關(guān)系：在前10 s，T1 和T11 的升溫速率依次快速增加。dT1/dt 的最大升溫速率為98.37 ℃/0.1 s，dT11/dt 的最大升溫速率為78.85 ℃/0.1 s，但dT6 和dT7 的最大升溫速率分別為3.28 ℃/0.1 s 和3.37 ℃/0.1 s。

圖6 模組熱失控過程電壓和溫升速率曲線

模組針刺時火焰從防爆閥處猛烈噴出，針刺部位和防爆閥處冒出濃煙。如圖7 所示，電芯1 內(nèi)的失效電極材料隨熱流噴出，防爆閥的邊緣被熱流沖擊發(fā)生撕裂，相鄰電芯2 外殼被濃煙熏黑。說明在熱失控期間，具有巨大沖擊力的熱流從電芯1 中釋放出來，這意味著熱失控將給密閉電池箱內(nèi)的周圍電芯帶來巨大的安全風險。結(jié)合圖5，熱失控后模組電壓保持4.19 V，模組未發(fā)生熱失控擴散。

圖7 模組針刺試驗后樣品照片

根據(jù)電池包內(nèi)電池模組針刺熱失控擴散過程的熱量傳遞特性，一般將熱事件按針刺位置產(chǎn)生的3 次冒煙或起火現(xiàn)象分為三個階段：第一階段是鋼針刺入目標模組觸發(fā)熱失控起火至第二次起火前持續(xù)的時間；第二階段是針刺孔第二次起火至第三次起火前持續(xù)的時間；第三階段是從針刺孔第三次起火到火焰熄滅的過程。圖8（a）清楚地展示了上述三個階段的溫度變化。

圖8 電池包熱失控和熱擴散過程溫度曲線

電池包熱失控第一階段釋放的總電能可分為兩部分：針刺開始時鋼針上釋放的電能和隔膜失效后大規(guī)模短路時釋放的電能。電芯大規(guī)模短路釋放的熱量延長了電池熱失控起火時長，包括冒煙、噴射火花、噴射火焰、穩(wěn)定燃燒和熄滅[7]。鋼針刺入目標模組2 min 后火花立即從針刺孔噴出，這與目標模組內(nèi)電芯的熱失控直接相關(guān)。鋼針刺入目標模組后，T-7 監(jiān)測溫度達到649.3 ℃，如圖8（b）。這表明電池包內(nèi)目標模組在短時間內(nèi)釋放出的巨大能量與電芯的短路放熱直接相關(guān)。Maleki 等人的研究顯示，電池70%以上的能量可以在60 s 內(nèi)集中釋放。T-6 在最初的幾秒鐘內(nèi)快速升至500 ℃，可能是熱量擴散路徑被電池箱體外殼阻擋，熱量在T-6 區(qū)域蓄積造成的，T-1、T-2、T-3、T-5 監(jiān)測到的溫度變化證實了上述猜測。鋼針刺入目標模組后，T-5 的溫度在20 s 內(nèi)達到110 ℃左右，并在此溫度下持續(xù)保持1000 s，這與該區(qū)域的能量蓄積直接相關(guān)。因此在熱失控衍生損壞早期，應考慮對靠近電池包外殼易燃部位的導線進行額外保護，以避免電芯起火造成的導線被加熱。在第一階段的熱失控觸發(fā)后1000s 內(nèi)，除T-7 外，其他溫感點的溫度均無大幅波動，說明第一階段并未發(fā)生熱擴散，符合GB 38031 要求，即電池包觸發(fā)熱失控后5 min 內(nèi)不得發(fā)生熱擴散。

電池包熱失控第二階段開始于第1150 s，此時熱失控擴散到相鄰的電池（第二塊電芯），T-7 的溫度在幾秒鐘內(nèi)從環(huán)境溫度升高到762 ℃，同時T-4 和T-6 也出現(xiàn)不同程度的快速溫升，并呈現(xiàn)出與第一階段相同的噴火和熱量釋放現(xiàn)象，如圖8（c）所示。在第二階段，電池包外殼受到第二次熱失控的進一步加熱，T-5 的溫度逐步上升到200 ℃左右，表明T-5 可監(jiān)測的區(qū)域正在發(fā)生持續(xù)性燃燒。

在第三階段，熱失控擴散到第三塊電芯，同樣觀察到類似的溫度曲線：T-4、T-5 和T-6、T-7 從1500 s 開始再次升高，T-7 在幾秒鐘內(nèi)升至767 ℃，如圖8（d）所示。

此外，第二階段持續(xù)時間約為550 s，約為第一階段時長的一半，期間T-2、T-3、T-4、T-5 和T-6 的平均溫度高于第一階段?？梢酝茢啵姵匕鼰崾录诘诙A段出現(xiàn)了進程加速[8]。

在電動汽車起火時，受汽車底盤結(jié)構(gòu)影響，即使在理想情況下消防水也僅能進入電池包表面。為模擬電動汽車發(fā)生熱事件時的滅火行為特征，因此從第三階段起開始采用消防水噴淋電池包的方法研究對鋰離子電池包的滅火行為。采用消火栓處壓力為0.45 MPa 的標準消防水均勻連續(xù)噴灑在電池包上10 min，此時電池包表面溫度逐級下降至環(huán)境溫度（由于溫感線外部涂層是沒有防水層的玻璃纖維，此時停止溫度采集）。接著減弱消防水流速至初始流速的一半，僅14 min 后，電池包再次發(fā)生熱擴散[9]，針刺孔發(fā)生了第四次噴火并穩(wěn)定燃燒3 min，而后又出現(xiàn)第五次噴火。即使從第三階段起對電池包不間斷噴水，但在針刺2 h 46 min 后，電池包依然被徹底燒毀，如圖9 所示。

圖9 燒毀的電池包

3 結(jié)論

本文采用針刺觸發(fā)的方法研究了電池模組和電池包的熱失控擴散特征。當鋼針刺入目標電芯或模組時，目標電芯發(fā)生短路并觸發(fā)熱失控，在幾秒鐘內(nèi)爆炸噴燃并釋放出巨大能量。期間釋放的巨大能量持續(xù)加熱電池包的整個內(nèi)部空間，導致相鄰電芯之間的熱擴散。

即使電池包發(fā)生熱擴散的時間滿足GB 38031 的要求，但當電池包出現(xiàn)第二次爆炸噴燃時，也能觀察到熱擴散進程顯著加速。此外模擬電動汽車滅火時，在電池包上持續(xù)噴淋標準消防水會使電池包表面溫度逐漸下降到環(huán)境溫度。但在減小消防水流速的情況下，電池包依然會再次起火，并最終被燒毀。由于熱擴散時熱量集中定向地在電池包內(nèi)傳播，在進行電池包安全設(shè)計時線束和其他易燃部件應進行額外保護，以防止熱失控初期的衍生損壞。此外，大流量的噴水可抑制熱擴散，而額外的滅火設(shè)計，如用于電芯滅火的滅火器或絕熱設(shè)備，可消除電池包熱擴散，最終實現(xiàn)對電池包的全面保護。