關(guān)于動(dòng)力鋰電池而言安全是最重要的目標(biāo)，安全的地位甚至要高于能量密度和循環(huán)壽命等指標(biāo)，為了保證動(dòng)力鋰電池在使用中的安全性，安全試驗(yàn)是必不可少的，關(guān)于動(dòng)力鋰電池而言，擠壓、針刺測(cè)試是常見(jiàn)的機(jī)械濫用測(cè)試。針刺試驗(yàn)關(guān)于鋰離子電池而言通常是最為嚴(yán)酷的測(cè)試，在針刺導(dǎo)致短路的瞬間整個(gè)電池的電量開(kāi)始通過(guò)短路點(diǎn)開(kāi)始釋放，導(dǎo)致短路點(diǎn)的電流密度非常大，溫度快速升高，最終導(dǎo)致熱失控。

我們之前關(guān)于鋰離子電池在針刺試驗(yàn)中的描述僅僅是是否起火、爆炸，電池外表最高溫度等指標(biāo)，由于鋰離子電池的密封結(jié)構(gòu)，使得我們關(guān)于針刺過(guò)程中電池內(nèi)部的反應(yīng)觀測(cè)變得困難重重。倫敦大學(xué)學(xué)院的DonalP.Finegan（第一作者）和ThomasM.M.Heenan（通訊作者）等人通過(guò)對(duì)針刺用的金屬針進(jìn)行改造和高速X射線拍攝的方法對(duì)針刺試驗(yàn)過(guò)程中鋰離子電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化和溫度變化進(jìn)行了跟蹤，研究表明針刺的位置和方向都會(huì)對(duì)針刺實(shí)驗(yàn)的結(jié)果出現(xiàn)顯著的影響。

試驗(yàn)中采用的金屬針的結(jié)構(gòu)如下圖所示，針的總長(zhǎng)度為60mm，外徑為4mm，內(nèi)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(nèi)部空腔，K型熱電偶的測(cè)試溫度為-100℃到800℃，能夠基本覆蓋安全測(cè)試中電池溫度范圍。

DonalP.Finegan以18650電池作為研究目標(biāo)，采用上述的智能鋼針?lè)謩e從四個(gè)方向?qū)?8650電池進(jìn)行了測(cè)試：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，非實(shí)驗(yàn)所用電池）

下圖為不同位置進(jìn)行針刺實(shí)驗(yàn)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(diǎn)位于鋼針周圍的位置，同時(shí)針刺位置也會(huì)對(duì)電池內(nèi)部和表面的溫度出現(xiàn)非常大的影響，從圖中能夠看到，當(dāng)鋼針從位置2和4穿刺時(shí)電池的內(nèi)部和表面溫度都是最高的，電池內(nèi)部的最高溫度達(dá)到了900℃以上（K型熱電偶最高使用溫度為800℃）。而從位置3進(jìn)行穿刺時(shí)，電池內(nèi)部的溫度最低，并且很快下降到了與電池表面相同的溫度，這重要是因?yàn)殇撫槹l(fā)生了一部分形變，并且最后鋼針到達(dá)了卷芯與上蓋之間的空腔，從而減緩了電池的熱失控。

從下圖我們還能夠注意到假如針刺的位置不同，那么電池表面出現(xiàn)最高溫度的位置也會(huì)有所差別，假如我們從位置2穿刺，電池表面最高溫度的點(diǎn)出現(xiàn)在電池的上蓋位置，而假如從位置1進(jìn)行穿刺的話，那么電池表面的最高溫度則會(huì)出現(xiàn)在電池的底部位置，這表明針刺實(shí)驗(yàn)中我們要根據(jù)針刺的位置選擇合適的位置測(cè)試電池表面的最高溫度。

位置1

首先我們來(lái)看一下假如從水平方向電池中間的位置進(jìn)行穿刺，電池的整個(gè)熱失控過(guò)程是怎么樣。從下圖能夠注意到，在鋼針刺入到電池內(nèi)部后，熱量首先從鋼針邊緣與極片接觸的部分開(kāi)始出現(xiàn)，隨著溫度的升高，活性物質(zhì)開(kāi)始發(fā)生分解，從而迅速引發(fā)了熱失控。從下圖中1.906s處的照片能夠看到此時(shí)內(nèi)層的電極開(kāi)始出現(xiàn)輻射狀的裂紋，裂紋的出現(xiàn)會(huì)進(jìn)一步新增正負(fù)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(nèi)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(shí)鋰離子電池?zé)崾Э氐乃俣确浅？?。在針刺?shí)驗(yàn)2.6545s后18650電池上蓋破裂，大量的氣體和活性物質(zhì)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因之一。

位置2

接下來(lái)我們看一下假如從位置2（垂直方向，電池底部偏心位置）進(jìn)行針刺效果是怎么樣的，從下圖中能夠看到在鋼針剛剛插入的時(shí)候由于鋼針是沿著極片的方向運(yùn)行，因此電池并沒(méi)有發(fā)生熱失控，直到1.9075s后電池才發(fā)生了明顯的熱失控的現(xiàn)象，隨著電池內(nèi)部的壓力的升高電池的底部發(fā)生了鼓起的現(xiàn)象，在內(nèi)部的壓力的用途下也導(dǎo)致了電芯的位置向著電池上蓋的方向移動(dòng)，在后續(xù)的電池噴發(fā)中氣體裹挾著從極片上掉下的活性物質(zhì)從電池的上蓋噴出。因此，為了防止電池內(nèi)部積聚過(guò)大的壓力，導(dǎo)致爆炸，我們可以在電池的底部新增泄壓裝置，及時(shí)將電池內(nèi)部積聚的壓力釋放掉。

位置3

接下來(lái)我們看一下假如從位置3（水平位置靠近電池頂部的位置）處進(jìn)行針刺會(huì)怎么樣，從圖中能夠看到隨著鋼針的刺入，鋼針的兩側(cè)出現(xiàn)了不同的壓力，這是因?yàn)殡娦驹诳拷仙w的位置有更多的空間因而更容易移動(dòng)，從而將積累的應(yīng)力釋放，而在靠近底部的方向上電芯難以移動(dòng)，因此積累了較大的應(yīng)力，這最終導(dǎo)致鋼針向著應(yīng)力更小的電池上蓋方向發(fā)生了偏移，鋼針的頂部到達(dá)了沒(méi)有電芯的上蓋位置，這也導(dǎo)致了最終測(cè)得的電池內(nèi)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(xiàn)的壓力更容易釋放。

位置4

最后我們?cè)賮?lái)看一下假如從位置4（垂直方向電池的頂部偏心位置）進(jìn)行穿刺結(jié)果是怎么樣，由于從垂直方向穿刺時(shí)只會(huì)引起少數(shù)幾層電極之間發(fā)生短路，因此局部電流密度較大，短路點(diǎn)的溫度達(dá)到了920℃以上，我們一般認(rèn)為這會(huì)造成更為嚴(yán)重的熱失控，但是從本次實(shí)驗(yàn)中能夠看到從水平方向刺入時(shí)盡管電池的溫度較低，但是熱失控速率會(huì)更快，這表明熱失控?cái)U(kuò)散重要是受到熱量在電極層之間的擴(kuò)散速度的影響，而不是短路點(diǎn)的溫度的影響。同時(shí)由于位置4更靠近上蓋，因此電池內(nèi)部的壓力很快就通過(guò)上蓋進(jìn)行了釋放，因此防止了電池內(nèi)部積累過(guò)高的壓力，導(dǎo)致電池發(fā)生爆炸。

DonalP.Finegan的工作表明針刺的位置和方向都對(duì)18650電池的熱失控行為有非常重要的影響，例如雖然在垂直方向進(jìn)行穿刺時(shí)電池內(nèi)部的溫度最高，但是其熱失控?cái)U(kuò)散的速率卻比從水平方向上穿刺要更慢一些，這表明熱失控的擴(kuò)散速度重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(diǎn)溫度的高低。