锂离子电池针刺安全性受什么影响-贝尔试验箱

随着锂离子电池能量密度的提高，锂离子电池的安全问题也逐渐引起人们的关注。在评估锂离子电池安全性的各种滥用条件中，针刺是非常苛刻的试验之一，也是锂离子电池安全测试的重点。近年来，对于由针刺引起内短路、进而引发热失控的现象，人们进行了大量的研究，包括测试条件、荷电态、正负极材料、隔膜、电解液等的影响、以及热电耦合仿真等，对于针刺机理进行了较为深入的探索，并为针刺安全性的改善提供了一些可供参考的数据。

小编通过引用网络文献，针对锂离子电池针刺机理及安全性改善，从影响锂离子电池针刺安全性的因素、提高锂离子电池针刺安全性的方法及作用机理、锂离子电池针刺引发热失控的机理研究三个方面总结归纳了国内外最近的研究进展，梳理了针刺机理的研究思路，以期为锂离子电池的安全设计提供参考。

1、影响锂离子电池针刺安全性的因素

1.1电池容量

不同容量电池针刺的仿真结果和实测结果均表明，随着电池容量增大，其表面和针孔处温度显著升高。实测结果表明，容量2Ah和6Ah的LiCoO2电池对应的针刺最高温度分别为341.0℃、477.7℃。随着容量提升，电池内阻减小，内短路电流增大，局部产生热量增多，因此，温升急剧增大，热失控风险增大。

1.2荷电态

J.G.Wang等的研究表明，随着SOC上升，针刺瞬间及针刺后一段时间的温度显著上升。0%SOC、50%SOC、75%SOC、100%SOC对应的最高温度分别是约50℃、70℃、112℃、115℃。这是因为随着荷电态增高，负极的嵌锂程度增大，与电解液的反应活性增大，同时正极脱锂程度增大，热稳定性下降;另一方面，荷电态升高，电压增大，内短路电流增大，针刺热失控风险较高。

1.3注液量

王磊等的研究表明，对于3Ah的LiCoO2电池，在一定范围内(≤标准注液量9.0g)，随着注液量的增加，针刺过后，电池表面的温度升高(最高温度100℃)，但并未引起热失控;而当注液量超过标准注液量后，电池表面温度持续升高，最后引发热失控，出现剧烈燃爆现象，最高温度超过300℃。

1.4材料组成

1.4.1正极材料

正极材料对锂离子电池的安全性影响显著。不同正极材料的结构有很大差别，热稳定性也存在巨大差异。D.Doughty等的研究表明，不同正极材料的18650电池ARC测试的热失控温度及自加热速率有明显差别。结构稳定的正极材料，如LiFePO4，对应的电池热失控温度较高(>400℃)，自加热

速率较小。此外，可以通过对正极材料的包覆处理，降低正极材料与电解液的界面反应活性，提高产热起始温度，降低产热量。

1.4.2负极材料

通常认为，正极材料的热稳定性决定了锂离子电池的安全性。但D.Doughty等的研究发现，不同类型的负极材料，DSC放热峰的位置和强度差异很大，如满电态嵌锂石墨在250℃左右有较强的放热峰，而满电态嵌锂的硬碳和中间相碳微球在150~300℃则放热峰较弱。因此，负极材料对锂离子电池的安全性也有影响。

1.4.3电解液

电解液的溶剂类型、锂盐浓度、添加剂种类对产气量及起始温度有显著影响。随着锂盐浓度升高，产气起始温度降低(如LiPF6浓度从0.6mol/L提高到1.2mol/L，对应的产气起始温度从200℃降低到160℃)，产气量增加，热失控风险增大。

1.4.4隔膜

E.Wang等的研究结果表明，隔膜的熔化温度、熔化破膜温度、闭孔温度等对锂离子电池的安全性有较大影响。如Al2O3涂覆、填充的PET隔膜(熔化破膜温度分别为240℃、263℃)针刺安全性显著优于PE、PP、PP/PE/PP(熔化破膜温度分别为140℃、170℃、164℃)。

1.5接触电阻

R.Zhao等建立了接触电阻的计算模型，其中，Rn为接触电阻，单位为mΩ;A为针和电池的接触面积，单位为mm2。接触面积越小，则接触电阻越大。仿真结果表明，随着接触电阻增大，针孔处产热减少，电池在针刺时的较大温升降低。

1.6针直径

仿真结果表明，针刺时，随着针直径增大，短路电流增大、电压下降速率加快。而实测结果表明，100%SOC下，直径3mm的针造成的温度最高(3mm、5mm、8mm对应的最高温度分别为122℃、95℃、95℃)。研究表明，针起到两方面的作用，一是造成电池内部的内短路，较大直径的针引起的短路面

积较大，短路电流较大，因此产热较多;另一方面，针本身有一定散热作用，随着直径增大，针散热增强。通常情况下，针的散热作用相对较弱。因此，一般来说，采用较细的针，锂离子电池针刺热失控风险较低。

1.7针刺速度

J.G.Wang等的研究表明，对1Ah的Li(NixCoyMnz)O2满电态电池，用直径5mm的钢针，在20mm/s的速度下，10s内温度迅速升高至450℃后又急剧下降，随后保持在100℃左右，未发生热失控;在40mm/s的速度下，温度持续上升至发生热失控，最高温度为538.7℃。针刺速度越快，针孔处的热量来不及扩散，发生热失控的风险增大。