本文亮點(diǎn)：1.當(dāng)前對(duì)于鋰電池安全的測(cè)試不夠全面，本文通過(guò)自制搭建的針刺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在不同SOC、速度、位置和深度條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄并分析鋰電池在針刺過(guò)程中載荷、溫度和電壓等參數(shù)變化情況及其作用規(guī)律，對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了有益的補(bǔ)充。2.獲得了鋰電池在不同SOC、不同針刺速度、深度和位置等條件下鋰電池力-電-熱響應(yīng)及演變規(guī)律，為鋰離子電池的運(yùn)輸、安全使用和早期預(yù)警設(shè)計(jì)提供了有益的價(jià)值。
摘 要 動(dòng)力電池受到尖銳物體擠壓是汽車(chē)碰撞引發(fā)的主要損傷形式，也是一種十分嚴(yán)峻的工況，嚴(yán)重時(shí)鋰離子電池會(huì)發(fā)生燃爆導(dǎo)致電動(dòng)車(chē)損毀甚至是人身傷害。為了揭示鋰離子電池在針刺工況下的安全性能，本工作采用自制搭建的針刺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，利用直徑5 mm的平頭鎢鋼針刺入18650圓柱形鋰離子電池，討論了4個(gè)參數(shù)（荷電狀態(tài)、針刺速度、針刺深度和針刺位置）對(duì)鋰離子電池安全性能的影響，利用紅外攝像儀觀測(cè)鋰離子電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象，并記錄鋰離子電池在實(shí)驗(yàn)前后的溫度、開(kāi)路電壓和載荷等表征數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋰離子電池在針刺工況下表現(xiàn)出明顯的演變規(guī)律。鋰離子電池在針刺失效后，并不會(huì)立即發(fā)生熱失控，而是存在一定的反應(yīng)時(shí)間；荷電狀態(tài)越高，針刺深度越深，鋰離子電池越容易發(fā)生熱失控且與熱失控劇烈程度成正相關(guān)；越靠近鋰離子電池正負(fù)極兩端，反應(yīng)越劇烈；針刺速度與是否發(fā)生熱失控沒(méi)有明顯的相關(guān)性。最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為鋰離子電池包的運(yùn)輸、安全使用和早期預(yù)警算法設(shè)計(jì)提供了建議。
關(guān)鍵詞 鋰電池；安全性能；演變規(guī)律；熱失控
鋰離子電池憑借其高比能量、性能穩(wěn)定、低自放電率和綠色環(huán)保等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品，從消費(fèi)電子產(chǎn)品如手機(jī)和筆記本電腦到運(yùn)輸工具如電動(dòng)車(chē)輛。然而隨著鋰離子電池被廣泛使用，其安全問(wèn)題也日益凸顯。近年來(lái)，鋰離子電池?zé)崾Э匾l(fā)的安全事故屢見(jiàn)報(bào)道，其中大部分是鋰離子電池受到尖銳物體刺破電池外殼導(dǎo)致內(nèi)短路引起的。因此，研究分析鋰離子電池在受到針刺工況下的安全性能對(duì)于防護(hù)鋰離子電池安全性設(shè)計(jì)有重要意義。
目前，國(guó)內(nèi)外研究人員在鋰離子電池針刺工況下做了大量的研究，并且也取得了豐富的成果。Wang等通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)合，得出鋼針在穿透過(guò)程中起著雙重作用，決定了短路電流和散熱量。Liu等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了針刺過(guò)程鋰電池溫度和端電壓變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明具有較高初始荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)的鋰電池表面溫度增幅較大且穿透位置具有最高的溫度增量。Xu等通過(guò)多組針刺實(shí)驗(yàn)研究了軟包鋰離子電池?zé)崾Э貦C(jī)理，結(jié)果表明，在針刺過(guò)程中，軟包電池經(jīng)歷了釘扎、內(nèi)部短路、化學(xué)反應(yīng)和熱失控4個(gè)過(guò)程。文獻(xiàn)[6]對(duì)3種材料鋰離子電池做了針刺實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明NMC622電池具有最差的內(nèi)短路耐受性，LiFePO4(LFP)材料受鋼針穿透的影響較小，并且LFP電池在SOC為50%時(shí)具有最低的熱失控風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[7]對(duì)車(chē)用LFP電池組做了針刺實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出并聯(lián)電池組中針刺電池是否出現(xiàn)熱失控取決于電池內(nèi)短路阻值和外部反充電流的結(jié)論。
雖然當(dāng)前的已有研究對(duì)鋰電池在針刺濫用工況下的失效分析取得了一些重要研究成果，但對(duì)于18650圓柱形鋰離子電池在針刺工況下相關(guān)參數(shù)(SOC、加載速度、位置和深度)的全面實(shí)驗(yàn)研究尚存在不足。本工作通過(guò)自制搭建的針刺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在不同SOC、速度、位置和深度條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄并分析鋰電池在針刺過(guò)程中載荷、溫度和電壓等參數(shù)的變化情況及作用規(guī)律，以期為評(píng)估鋰離子電池在機(jī)械破壞情況下的安全性以及電池的早期預(yù)警設(shè)計(jì)等方面提供參考。
1 實(shí)驗(yàn)介紹
實(shí)驗(yàn)選用某國(guó)產(chǎn)18650圓柱形鋰離子電池，鋰電池參數(shù)如表1所示。利用新威電池測(cè)試系統(tǒng)采用恒流恒壓方式將鋰電池充放電至實(shí)驗(yàn)所需SOC。
表1 18650圓柱形鋰離子電池參數(shù)信息
針刺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)中使用量程為100 kN的微機(jī)控制式電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)來(lái)模擬針刺加載過(guò)程。采用Φ5 mm的平頭實(shí)心鎢鋼針，利用高精度數(shù)字示波器和紅外攝像儀實(shí)時(shí)采集電池電壓和表面溫度變化曲線(xiàn)?？紤]到鋰電池在針刺加載中有爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，將電池放置在具有防爆功能的自制玻璃箱內(nèi)。
圖1 針刺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
實(shí)驗(yàn)方法參照GB 31241—2022《便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組 安全技術(shù)規(guī)范》以及GB/T 38031—2020《電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池安全要求》。實(shí)驗(yàn)考慮了SOC、速度、位置和深度4個(gè)因素的影響，其中包括4組實(shí)驗(yàn)，參數(shù)設(shè)置如表2所示。圖2給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)試中鋼針的針刺位置，3個(gè)位置分別在鋰電池頂部、中部和底部。鋼針刺穿電池后觀察1 h再取下電池保存當(dāng)前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后擱置30 min，檢查鋼針和保護(hù)箱內(nèi)溫度情況，等恢復(fù)到室溫后再進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。此外，所有的實(shí)驗(yàn)條件均采用控制變量法排除無(wú)關(guān)因素的影響。并且每組實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)3次，取重復(fù)性較好的一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，以排除實(shí)驗(yàn)的偶然性，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置
圖2 針刺位置示意圖
2 針刺實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 不同荷電狀態(tài)下鋰電池特性分析
實(shí)驗(yàn)選擇5種荷電狀態(tài)(SOC為20%、40%、60%、80%和100%)下的鋰電池進(jìn)行針刺實(shí)驗(yàn)，具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)配置如表2(樣品1～樣品5)所示。鋰電池在不同SOC條件下的極限載荷和端電壓下降時(shí)間節(jié)點(diǎn)如表3所示，圖3和圖4是Group 1組的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。
表3 鋰電池在不同SOC條件下的極限載荷和端電壓下降時(shí)間節(jié)點(diǎn)
圖3 (a)載荷-時(shí)間曲線(xiàn)；(b)鋰電池極限載荷箱線(xiàn)圖
圖4 (a)電壓-時(shí)間曲線(xiàn)；(b)溫度-時(shí)間曲線(xiàn)；(c)紅外熱像圖；(d)100%SOC電池變形圖
不同荷電狀態(tài)下載荷-時(shí)間曲線(xiàn)如圖3(a)所示。5種荷電狀態(tài)下的曲線(xiàn)前段趨勢(shì)大致相同，先經(jīng)歷一段線(xiàn)性增長(zhǎng)階段，然后進(jìn)入緩慢增長(zhǎng)的平臺(tái)區(qū)，承載力變化很小，接著進(jìn)入高速增長(zhǎng)階段，呈現(xiàn)指數(shù)式增長(zhǎng)。這是因?yàn)殇囯姵劁撝仆鈿づc內(nèi)芯、內(nèi)芯各層極片和隔膜之間，以及最內(nèi)部的中空部分存在間隙所致，實(shí)驗(yàn)加載初期，電池鋼制外殼最先開(kāi)始承受載荷，持續(xù)加載到一定程度后，接著開(kāi)始擠壓內(nèi)芯層與層之間以及最內(nèi)部中空部分的間隙。所以初始階段載荷變化很小，等電池內(nèi)部間隙被壓實(shí)后，載荷迅速增加。電池外殼強(qiáng)度失效被刺破瞬間產(chǎn)生的載荷稱(chēng)為極限載荷。從圖3(a)可以看到極限載荷與SOC并不是簡(jiǎn)單的增長(zhǎng)關(guān)系，SOC為60%時(shí)對(duì)應(yīng)的極限載荷最大?？赡艿脑蚴?，負(fù)極材料的嵌鋰量隨著SOC的提高而增多，所以60%SOC的電池相比60%SOC以下的電池，具有更強(qiáng)的承載能力。當(dāng)SOC大于60%時(shí)，鋰電池內(nèi)部活性化學(xué)物質(zhì)含量逐漸增高，在針刺過(guò)程中熱失控反應(yīng)劇烈，從正極安全閥和針刺位置溢出大量氣體導(dǎo)致鋰電池發(fā)生鼓脹和有限滑動(dòng)，從而導(dǎo)致其反作用力減小，因此此時(shí)鋰電池的嵌鋰量的變化和有限滑動(dòng)的產(chǎn)生將導(dǎo)致其極限載荷下降。為了排除實(shí)驗(yàn)偶然性，Group1在每種荷電狀態(tài)下做了多次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，圖3(b)為多次實(shí)驗(yàn)在不同荷電狀態(tài)下的極限載荷箱線(xiàn)圖，從圖3(b)中可以看到電池平均極限載荷與SOC并不是簡(jiǎn)單的增長(zhǎng)關(guān)系。當(dāng)SOC為20%~60%時(shí)，鋰電池平均極限載荷隨SOC的增大而增大，SOC為60%的鋰電池平均極限載荷大于80%。當(dāng)SOC為80%~100%時(shí)，同樣隨SOC的增大而增大。最大的平均極限載荷為1.66 kN(SOC=60%)，比SOC為20%的平均極限載荷提高了20%。
圖4(a)為不同SOC下電池的電壓時(shí)間曲線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電池SOC對(duì)其電壓響應(yīng)有一定影響，對(duì)比圖3(a)和表3可以看到電池端電壓下降的時(shí)間點(diǎn)與電池達(dá)到極限載荷的時(shí)間點(diǎn)高度一致，表明電池內(nèi)部短路發(fā)生于刺破的瞬間。SOC為20%和40%的電壓并沒(méi)有在極限載荷下降時(shí)間節(jié)點(diǎn)處驟降為0 V，而是先出現(xiàn)一段波動(dòng)再降到0 V左右。分析其原因可能是低SOC條件下電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)活性降低，在短路時(shí)并沒(méi)有立刻發(fā)生反應(yīng)。
圖4(b)、(c)為不同SOC條件下的溫度-時(shí)間曲線(xiàn)和部分紅外熱像圖。經(jīng)過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，電池的荷電狀態(tài)越高，升溫越早，并且對(duì)應(yīng)的峰值溫度也越高。一方面，SOC越高，對(duì)應(yīng)的初始電壓越大，當(dāng)鋼針在刺穿電池經(jīng)歷短路時(shí)，根據(jù)焦耳定律Q=(圖片/R)×t，電壓越高，產(chǎn)生的焦耳熱越多，升溫速率越快。另一方面，高SOC鋰電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)含量高，鋼針刺入電池短路時(shí)反應(yīng)劇烈。圖4(c)所示鋰電池均發(fā)生了熱失控，電池變形后從針刺位置流出電解液并且冒出大量白煙。加載后期，電池溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速升高并伴有刺激性氣體迅速排出，這是由于鋼針刺破鋰電池外殼后，內(nèi)部活性物質(zhì)和電解液與空氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)。圖4(d)是SOC為100%狀態(tài)下針刺后的變形圖，在加載136 s左右發(fā)生爆炸，正極安全閥被彈出，冒出大量白煙并且在爆炸瞬間最高溫度達(dá)到162.9 ℃。由于在爆炸瞬間大量氣體從針刺部位溢出，因此可以看到電池針刺部位破壞嚴(yán)重且出現(xiàn)鼓脹。
2.2 不同針刺速度下鋰電池特性分析
加載速度分別設(shè)置為1 mm/min、5 mm/min、10 mm/min、20 mm/min，具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)配置如表2(樣品2、樣品6～樣品8)所示。圖5是Group 2組的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。
圖5 (a)不同速度加載下的載荷-位移曲線(xiàn)；(b)極限載荷箱線(xiàn)圖；(c)電壓-時(shí)間曲線(xiàn)；(d)溫度-時(shí)間曲線(xiàn)
圖5(a)、(b)為不同速度條件下的載荷位移曲線(xiàn)和多次實(shí)驗(yàn)在不同速度條件下的電池極限載荷箱線(xiàn)圖，可以看到極限載荷隨著速度的增加而增大，最大的平均極限載荷為1.56 kN(20 mm/min)，加載速度從1mm/min樣品到20 mm/min時(shí)，平均極限載荷提高了14%。Group 2組實(shí)驗(yàn)電池均發(fā)生了熱失控，電池內(nèi)部發(fā)生劇烈反應(yīng)，從針刺位置流出大量電解液并冒出白煙。
從圖5(c)電壓-時(shí)間曲線(xiàn)可以看出，隨著速度的提高，電壓下降所用的時(shí)間大幅縮短，且端電壓基本都下降到0 V左右。從圖5(d)可以看出4種不同速度刺入電池后電池的升降溫速率和峰值溫度基本相同，這是因?yàn)閳A柱形電池的正負(fù)極和隔膜通過(guò)相互組合卷繞的方式裝入電池殼內(nèi)，導(dǎo)致隔膜的延展性較差，在針刺過(guò)程中很容易刺穿隔膜導(dǎo)致正負(fù)極短接。圖5(d)結(jié)果表明速度對(duì)本工作所選電池表面溫度影響較小，針刺速度為20 mm/min時(shí)峰值溫度略高，達(dá)到100 ℃。其他速度條件下電池表面峰值溫度基本一致，均為95 ℃左右，表明電池釋放能量受針刺速度影響較小。這與文獻(xiàn)[9]所得結(jié)論類(lèi)似。
2.3 不同針刺深度下鋰電池特性分析
針刺的深度增加會(huì)導(dǎo)致短路的電極部位點(diǎn)增加和接觸面積增大，發(fā)生直接短路的概率變大，短路后會(huì)伴隨一系列副反應(yīng)。因此研究不同深度對(duì)鋰電池安全性能的影響，找到發(fā)生短路的臨界深度對(duì)早期預(yù)警具有重要意義。本工作具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)配置如表2(樣品2，樣品9～樣品12)所示。圖6是Group 3組的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。
圖6 (a)電壓-時(shí)間曲線(xiàn)；(b)溫度-時(shí)間曲線(xiàn)；(c)熱像圖
圖6(a)為電壓-時(shí)間曲線(xiàn)，可以清晰地看到當(dāng)深度為10 mm時(shí)，電壓沒(méi)有發(fā)生變化，表明鋰電池內(nèi)部沒(méi)有發(fā)生短路，當(dāng)深度為11 mm時(shí)，電壓在124 s左右從3.9 V降到3.6 V然后又緩慢上升到3.78 V并一直維持在3.78 V左右，表明電池內(nèi)部正負(fù)極已經(jīng)發(fā)生了短接造成局部短路。分析電壓恢復(fù)的原因，當(dāng)針刺部位局部熱量過(guò)高時(shí)，集流體、隔膜和穿刺點(diǎn)的局部區(qū)域可能會(huì)熔化，因此會(huì)切斷電流路徑，阻礙鋰電池進(jìn)一步放電，隔膜和集流體是否熔化共同決定電壓下降是否可恢復(fù)。
圖6(b)、(c)為溫度-時(shí)間曲線(xiàn)和熱像圖，從圖6(b)、(c)中可以清楚地看到電池表面峰值溫度隨著穿透深度的增加而增加。當(dāng)針刺深度為10 mm和11 mm時(shí)，電池表面溫度不高，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)程度并不劇烈，并且也沒(méi)有噴出白煙和刺激性氣體，表明沒(méi)有發(fā)生熱失控。鋰電池刺穿10 mm時(shí)電池沒(méi)有發(fā)生短路，溫度一直保持在25 ℃左右。當(dāng)針刺深度為11 mm時(shí)，電池內(nèi)部正負(fù)極材料發(fā)生輕微接觸，觸發(fā)了局部短路，消耗了少量能量，升溫速率相對(duì)緩慢。從剛開(kāi)始刺穿電池到電池溫度達(dá)到峰值時(shí)間大約為285 s，電池表面峰值溫度為35 ℃。當(dāng)鋼針刺入深度為12 mm、13 mm、16 mm時(shí)電池均發(fā)生了熱失控，從刺入部位噴出刺激性氣體和白煙，并且電解液發(fā)生了泄漏。在刺穿外殼后溫度急劇上升并很快達(dá)到峰值，電池表面峰值溫度均超過(guò)90 ℃。綜上所述可知當(dāng)鋼針刺入鋰電池時(shí)存在一個(gè)從局部短路到引起整個(gè)鋰電池內(nèi)部短路的臨界深度。本工作選用的鋰電池臨界深度為11 mm左右。當(dāng)穿刺深度小于臨界深度時(shí)，鋰電池不會(huì)發(fā)生熱失控，電池表面溫度上升緩慢。當(dāng)穿刺深度大于臨界深度時(shí)，電池會(huì)發(fā)生熱失控，電池表面溫度急劇上升。
2.4 不同針刺位置下鋰電池特性分析
本工作共選擇3個(gè)不同位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖2所示，參數(shù)設(shè)置如表2所示(樣品2、樣品13～樣品14)。圖7和圖8是Group 4組的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。
圖7 鋰電池在不同針刺位置下的力-電-熱響應(yīng)
圖8 不同針刺位置下的熱像圖
圖7(a)為鋰電池在不同位置下的載荷-時(shí)間曲線(xiàn)，可以看到不同的加載位置對(duì)電池的承載能力有較大的影響。越靠近電池正負(fù)極兩端，極限承載力越大，上升斜率也越大，反之則越小。圖7(b)為多次實(shí)驗(yàn)在不同針刺位置下的電池極限載荷箱線(xiàn)圖，從圖中數(shù)據(jù)分布可以看出針刺位置對(duì)電池極限載荷的影響有明顯的規(guī)律性，針刺位置越接近電池軸向中心，其極限載荷越小，反之則極限載荷越大。
圖7(c)為不同位置下的電壓-時(shí)間曲線(xiàn)，從圖中可以看出靠近正極(E)處最先發(fā)生短路，中間位置(C)最晚發(fā)生短路?？拷?fù)極(E和A)位置處電壓在急劇下降后并沒(méi)有直接驟降為0 V，而是反彈到更高的電壓1.84 V和1.1 V，然后開(kāi)始波動(dòng)逐漸降為0 V。這是因?yàn)槲恢肁和E非常接近電池內(nèi)芯端部，鋰電池內(nèi)芯端部和外殼存在間隙，在持續(xù)加載的過(guò)程中會(huì)發(fā)生有限滑移和應(yīng)力集中，所以電壓會(huì)出現(xiàn)短暫不穩(wěn)定現(xiàn)象。在相同的變形量下，邊緣位置局部應(yīng)變會(huì)更大，導(dǎo)致隔膜更容易失效，內(nèi)短路的發(fā)生也會(huì)提前。同理，在相同的變形量下，針刺位置靠近電池中間時(shí)局部應(yīng)變會(huì)更小，所以?xún)?nèi)短路會(huì)較晚發(fā)生。
圖7(d)和圖8為不同位置下電池的溫度-時(shí)間曲線(xiàn)和紅外熱像圖，圖8所示的鋰電池均引發(fā)了熱失控現(xiàn)象(從針刺位置流出大量電解液并冒出大量白煙)，并且穿透位置越靠近正負(fù)極，熱失控的危險(xiǎn)越大。越靠近正負(fù)極兩端，電池短路后升溫越快且峰值溫度越高。其中，距離負(fù)極10 mm(A)和55 mm(E)位置處電池表面峰值溫度分別為110.3 ℃和104.8 ℃，距離負(fù)極30 mm(C)位置處峰值溫度為94.9 ℃。綜上所述，本工作所選鋰電池邊緣位置更易發(fā)生熱失控。
3 結(jié) 論
本工作通過(guò)自制搭建的針刺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在單節(jié)18650鋰離子電池上進(jìn)行了一系列SOC、針刺速度、深度和位置的實(shí)驗(yàn)。利用電池的力-電-熱相關(guān)數(shù)據(jù)分析了不同參數(shù)對(duì)鋰電池安全性能的影響，得出以下結(jié)論。
（1）鋰電池極限載荷并不是簡(jiǎn)單地隨SOC增長(zhǎng)關(guān)系。當(dāng)SOC為20%～60%時(shí)，極限載荷隨SOC的增大而增大；當(dāng)SOC為80%～100%時(shí)，同樣隨SOC的增大而增大，最大的平均極限載荷為1.66 kN，比SOC為20%的平均極限載荷提高了20%。SOC越大，針刺過(guò)程反應(yīng)越劇烈，發(fā)生熱失控的風(fēng)險(xiǎn)也就越大。對(duì)于不同的針刺速度，電池表面升降溫速率一致，峰值溫度均為95 ℃左右，并且針刺速度與是否發(fā)生熱失控并沒(méi)有明顯的相關(guān)性。
（2）在針刺過(guò)程中，穿透越深導(dǎo)致短路的接觸面積越大，電池發(fā)生燃燒和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)越大，并且存在一個(gè)從局部短路到引起整個(gè)鋰電池內(nèi)短路的臨界深度。本工作選用的鋰電池臨界深度為11 mm左右，可將其作為早期預(yù)警設(shè)計(jì)的閾值來(lái)提醒用戶(hù)。不同位置對(duì)鋰電池力-電-熱均有較大影響，當(dāng)針刺位置靠近正極和負(fù)極時(shí)，極限載荷和峰值溫度均比中間位置高。峰值溫度分別為104.8 ℃和110.3 ℃。鋰電池靠近正負(fù)極受到外力碰撞時(shí)，其安全性能降低，越容易引發(fā)熱失控等安全事故。
（3）針對(duì)鋰電池靠近正負(fù)極位置更易發(fā)生熱失控，建議電池安置在電池包內(nèi)時(shí)周?chē)鷺?gòu)件排列應(yīng)盡可能平整，增強(qiáng)鋰電池包外殼厚度和韌性。在鋰電池包靠近電池正負(fù)極位置處安裝彈簧緩沖裝置或者橡膠氣墊，避免局部擠壓對(duì)鋰電池造成損壞。
本工作通過(guò)搭建的針刺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，重點(diǎn)分析了在SOC、針刺速度、深度和位置等條件下鋰電池力-電-熱響應(yīng)及演變規(guī)律，為18650型鋰離子電池的運(yùn)輸、安全使用和早期預(yù)警設(shè)計(jì)提供了有益的價(jià)值。
