鋰電網(wǎng)訊：鋰離子電池一旦發(fā)生熱失控會(huì)嚴(yán)重的威脅到使用者的生命和財(cái)產(chǎn)安全，因此如何防止熱失控發(fā)生是所有鋰離子電池設(shè)計(jì)者的終極目標(biāo)。然而，要從設(shè)計(jì)上杜絕熱失控的發(fā)生就需要從根源上徹底了解清楚在熱失控過(guò)程中鋰離子電池內(nèi)部的反應(yīng)過(guò)程。但鋰離子電池?zé)崾Э胤磻?yīng)速度快，溫度高，同時(shí)受限于鋰離子電池的密封結(jié)構(gòu)，我們很難直觀并且準(zhǔn)確的觀察到鋰離子電池?zé)崾Э氐姆磻?yīng)過(guò)程。
X射線具有非常強(qiáng)的穿透能力，能夠穿過(guò)鋰離子電池的外殼，對(duì)鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，特別是斷層掃描技術(shù)讓我們能夠直接生成鋰離子電池三維圖像，但是通常X射線成像比較緩慢，無(wú)法在鋰離子電池?zé)崾Э氐倪^(guò)程中對(duì)鋰離子電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行跟蹤。同步輻射技術(shù)的出現(xiàn)大大提高了X射線的能量，從而有效的降低了曝光所需要的時(shí)間，因此極大的提高了成像速度。倫敦城市學(xué)院的Donal P. Finegan（第一作者）等人利用同步輻射技術(shù)大幅提高了CT掃描的速度，對(duì)熱失控過(guò)程中LG 18650電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了深入的了解和研究。
實(shí)驗(yàn)中Donal P. Finegan采用了LG的兩款18650電池作為研究對(duì)象（容量分別為2.2Ah和2.6Ah），通過(guò)歐洲同步輻射中心的同步輻射光源的應(yīng)用Donal P. Finegan將CT的采用速度提高到了1.25Hz和2.5Hz，而普通的二維拍攝速度則達(dá)到了1250Hz，這也讓我們首次“看到”了熱失控產(chǎn)氣和高溫對(duì)鋰離子電池結(jié)構(gòu)的影響。
實(shí)驗(yàn)中Donal P. Finegan采用高溫法分別將兩只LG的18650電池觸發(fā)熱失控（如上圖所示），其中2.6Ah電池電芯中間加入了芯骨，能夠起到支撐作用，有利于提升鋰離子電池的安全性，而2.2Ah電池則沒(méi)有加入芯骨。作者采用熱成像儀對(duì)熱失控過(guò)程中電池溫度變化進(jìn)行了跟蹤（2.6Ah電池為視頻1，2.2Ah電池為視頻2）。從視頻中我們能夠看到開(kāi)始加熱的時(shí)候，2.6Ah電池的溫度呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)，在168s時(shí)電池外殼溫度上升到230℃，然后電池的溫度開(kāi)始快速升高超過(guò)260℃（熱成像儀的最高觀測(cè)溫度為260℃），隨后在非常短的時(shí)間內(nèi)，隨后由于電池內(nèi)部氣體壓力的增加，電池內(nèi)部產(chǎn)生的氣體和電極的分解產(chǎn)物從電池上蓋的位置噴出，電池發(fā)生熱失控。2.2Ah電池發(fā)生熱失控的時(shí)間為加熱開(kāi)始后的217s。
2.6Ah電池?zé)崾Э厮查g熱成像動(dòng)圖
2.2Ah電池?zé)崾Э厮查g熱成像動(dòng)圖
為了分析熱失控發(fā)生過(guò)程中LG電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，DonalP. Finegan還采用高速攝CT技術(shù)對(duì)熱失控觸發(fā)過(guò)程中2.6Ah電池（視頻3）和2.2Ah電池（視頻4）的內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了掃描和重建。2.6Ah電池由于電芯內(nèi)部具有芯骨，因此理論上能夠?qū)﹄娦酒鸬街巫饔?，防止電芯在熱失控過(guò)程中發(fā)生塌陷，從下圖2.6Ah電池在熱失控發(fā)生前瞬間的CT圖像能夠看到大部分電芯的位置仍然保持完好，但是在電芯中央靠近芯骨的位置電芯結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變形，這可能是由于局部的副反應(yīng)產(chǎn)氣引起的正負(fù)極分離造成的。
芯骨對(duì)于電芯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定作用我們可以從下面的兩張圖片中得到答案，在下圖a中我們能夠看到由于電芯中間存在芯骨，因此在電池發(fā)生泄壓后電芯的結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生明顯的破壞，但是下圖b中我們能夠看到由于沒(méi)有芯骨的支撐，在電池泄壓發(fā)生后電芯的結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的破壞。這主要是因?yàn)樵陔姵匦箟喊l(fā)生之前在正負(fù)極極片之間就已經(jīng)積累了不少的氣體，因此在電池防爆閥開(kāi)啟后，這些氣體就會(huì)沿著阻力最小的位置排出，從而導(dǎo)致沒(méi)有支撐的電芯發(fā)生了顯著的變形，電芯的變形也導(dǎo)致了電池發(fā)生短路的風(fēng)險(xiǎn)大大增加。
下圖為2.6Ah電池在熱失控發(fā)生過(guò)程中的高速X射線照片（1250張/秒），從圖中能夠看到了熱失控首先從電池的中心位置開(kāi)始發(fā)生，然后逐漸向電池的外部進(jìn)行擴(kuò)散（視頻5）。從圖中能夠看到熱失控開(kāi)始的時(shí)候，Cu箔還能夠保持完整，引導(dǎo)反應(yīng)的產(chǎn)物向電池的上部移動(dòng)，但是隨著熱失控溫度的持續(xù)升高Cu箔也發(fā)生了熔化（熔點(diǎn)1085℃），并凝固成為金屬珠。
動(dòng)圖看一下
相比于2.6Ah電池?zé)崾Э卦陔姵貎?nèi)部緩慢擴(kuò)散，2.2Ah電池的熱失控過(guò)程就要顯得簡(jiǎn)單粗暴的多，在217s左右熱失控開(kāi)始后不到0.1s的時(shí)間里鋰電池內(nèi)的電極和活性物質(zhì)就從電池內(nèi)部噴了出去，這可能是由于向上移動(dòng)的電芯堵住了電池上蓋的泄壓閥，從而導(dǎo)致電池內(nèi)部的壓力急劇上升，引起電池爆炸。
動(dòng)圖看一下
下圖為2.6Ah鋰電池在熱失控后利用CT掃描技術(shù)重建的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從圖中可以看到在發(fā)生熱失控后鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)被完全破壞，其中黃色的部分為Cu，我們能夠觀察到在熱失控后電芯內(nèi)部產(chǎn)生了大量的銅珠，這是由銅箔熔化后再凝固后形成了，這表明在熱失控發(fā)生時(shí)鋰離子電池內(nèi)部的溫度要超過(guò)1085℃（Cu的熔點(diǎn)）
下圖為2.2Ah電池?zé)崾Э睾蟮娜S重建模型，從圖中能夠看到大多數(shù)銅箔都維持了最初的形貌，只有少量的銅箔發(fā)生熔化，在電池內(nèi)部產(chǎn)生了少量的比較小的銅珠，這主要是因?yàn)闊崾Э匕l(fā)生后該電池在短時(shí)間內(nèi)就發(fā)生了噴發(fā)，活性物質(zhì)和分解產(chǎn)物等在短時(shí)間內(nèi)從電芯中噴出，也阻止了電池內(nèi)部溫度的進(jìn)一步增加。
Donal P. Finegan的工作讓我們看到了18650電池?zé)崾Э剡^(guò)程中鋰離子電池內(nèi)部的反應(yīng)歷程，該研究工作也表明了鋰電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э氐男袨橛兄@著的影響。內(nèi)部缺少支撐的電芯在電極之間的氣體釋放時(shí)更容易引起電芯的變形，導(dǎo)致電芯更容易發(fā)生短路，因此更容易引起熱失控。
