熱失控是鋰離子電池最嚴(yán)重的安全事故，一旦鋰離子電池發(fā)生熱失控將會(huì)對(duì)使用者的人身和財(cái)產(chǎn)安全出現(xiàn)嚴(yán)重的威脅。內(nèi)短路是最容易引發(fā)鋰離子電池?zé)崾Э氐囊环N因素，在安全測(cè)試中一般我們可以通過(guò)擠壓或者針刺的方式來(lái)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(jì)內(nèi)短路器來(lái)輔助誘發(fā)鋰離子電池發(fā)生局部?jī)?nèi)短路。

近日，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)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(duì)內(nèi)短路器在18650電池熱失控研究中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，研究表明內(nèi)短路器的放置位置關(guān)于18650電池在熱失控中的行為具有顯著的影響。

實(shí)驗(yàn)中采用的內(nèi)短路器是采用低熔點(diǎn)的石蠟構(gòu)成，當(dāng)溫度達(dá)到57℃時(shí)，石蠟就會(huì)融化，在石蠟兩側(cè)的電極則會(huì)電芯壓力的用途下相互接觸，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(gè)位置，其中放置的深度分別為3層和6層（如上圖所示）。

實(shí)驗(yàn)中采用的18650電池正極為NMC材料，負(fù)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(méi)有底部防爆閥；3）外殼厚度250um，沒(méi)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出現(xiàn)了多少熱量，為了分析鋰離子電池?zé)崾Э刂杏卸嗌贌崃侩S著電池噴發(fā)而被帶到周圍空間，DonalP.Finegan等人設(shè)計(jì)了如下圖所示的加速量熱設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)了關(guān)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，熱失控中電池出現(xiàn)的氣體會(huì)通過(guò)電池的上蓋進(jìn)行釋放，但是實(shí)際中18650電池發(fā)生熱失控時(shí)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大量的氣體（3Ah的電池能夠在2s的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)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?zé)崾Э貢r(shí)可能會(huì)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(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)大大新增。

為了測(cè)試電池結(jié)構(gòu)、內(nèi)短路器放置位置關(guān)于電池?zé)崾Э匦袨榈挠绊懀珼onalP.Finegan設(shè)計(jì)了下表所示的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中總共測(cè)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(shí)，假如電池具有底部防爆閥則全部的電池的底部防爆閥都會(huì)開(kāi)啟，有44%的電池會(huì)發(fā)生底部撕裂。但是假如沒(méi)有底部防爆閥，則有2%的電池會(huì)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(xiǎn)。新增殼體厚度到250um能夠有效降低電池噴發(fā)和側(cè)面撕裂的風(fēng)險(xiǎn)，僅有7%的電池從頂部撕裂。

內(nèi)短路器的安放位置也關(guān)于鋰離子電池的熱失控行為具有顯著的影響，從上表d能夠看到假如內(nèi)短路器安放在電池的上部會(huì)大大新增電池從上部泄壓的風(fēng)險(xiǎn)，從頂部撕裂的概率達(dá)到64%。假如將內(nèi)短路器放置在電池的底部則能夠完全防止從電池上部泄壓，所有的電池都會(huì)從電池的底部進(jìn)行泄壓，但是會(huì)有17%的電池從殼體的側(cè)面撕裂泄壓。假如將內(nèi)短路器安置在電池的中間位置，則有8%的電池會(huì)從頂部噴發(fā)和撕裂，而54%和62%的電池會(huì)從電池的底部發(fā)生噴發(fā)和撕裂。可以看到內(nèi)短路器的放置位置關(guān)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(xiǎn)就會(huì)大大新增。

內(nèi)短路器的放置深度也關(guān)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(huì)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%）。

上圖為兩只分別從頂部和底部噴發(fā)的18650電池的熱成像照片（視頻1和視頻2），從上圖g能夠看到在0.08s時(shí)電池從上蓋與垂直角度呈60度的方向噴射出火焰。從上圖h可以看到在底部噴發(fā)的情況下，電池在0.02s開(kāi)始從電池底部呈現(xiàn)傾斜狀態(tài)噴發(fā)出火焰，大約在0.06s后電池底部被融化，火焰開(kāi)始沿著垂直方向噴射。

為了分析鋰離子電池在熱失控過(guò)程中電池內(nèi)部的變化，作者采用高速X射線成像技術(shù)對(duì)熱失控中的電池進(jìn)行了拍攝（視頻3、4和5），下圖a為內(nèi)短路器放置在上部的電池，黃色箭頭標(biāo)示出了不同時(shí)間電池內(nèi)部氣流的方向，開(kāi)始的氣流沿著電池上蓋的泄壓閥釋放，但是隨后在紅色曲線圈出的位置電池殼開(kāi)始逐漸被撕裂。下圖b為電池從底部噴發(fā)的圖片，開(kāi)始時(shí)氣體從中間位置泄放，但是隨后電池底蓋邊緣處開(kāi)始被融化、撕裂，部分氣體直接從撕裂處噴出。下圖c則為即沒(méi)有采用內(nèi)短路器，也沒(méi)有底部泄壓閥的電池，從圖中看到由于電池底部缺少泄壓閥，因此電池內(nèi)部的氣流在到達(dá)電池底部后調(diào)轉(zhuǎn)180度，向電池頂部流動(dòng)，并將電池內(nèi)部極片和活性物質(zhì)等撕裂，帶到電池上蓋處。