熱失控是鋰離子電池最嚴重的安全事故，一旦鋰離子電池發生熱失控將會對使用者的人身和財產安全產生嚴重的威脅。內短路是最容易引發鋰離子電池熱失控的一種因素，在安全測試中一般我們可以通過擠壓或者針刺的方式來誘發發生內短路，但是這兩種方法都存在一定的局限性，因此人們又設計內短路器來輔助誘發鋰離子電池發生局部內短路。

本文來源：新能源Leader微信號：newenergy-leader作者：憑欄眺

近日，美國國家可再生能源實驗室的DonalP.Finegan（第一作者，通訊作者）聯合NASA的約翰遜宇航中心對內短路器在18650電池熱失控研究中的應用進行了研究，研究表明內短路器的放置位置對于18650電池在熱失控中的行為具有顯著的影響。

實驗中采用的內短路器是采用低熔點的石蠟構成，當溫度達到57℃時，石蠟就會融化，在石蠟兩側的電極則會電芯壓力的作用下相互接觸，引發短路。內短路器分別放置18650電池電芯的上、中、下三個位置，其中放置的深度分別為3層和6層。如下圖所示：

實驗中采用的18650電池正極為NMC材料，負極為石墨材料，電池的容量為3.35Ah，

電池外殼結構也分為三類：1）外殼厚度220um，有底部防爆閥；2）外殼厚度220um，沒有底部防爆閥；3）外殼厚度250um，沒有底部防爆閥。

傳統的加速量熱設備只能夠分析電池在熱失控中一共產生了多少熱量，為了分析鋰離子電池熱失控中有多少熱量隨著電池噴發而被帶到周圍空間，DonalP.Finegan等人設計了如下圖所示的加速量熱設備，從而實現了對于噴發物帶走的熱量的定量分析。

18650電池上蓋設置有防爆閥，理想的情況下，熱失控中電池產生的氣體會通過電池的上蓋進行釋放，但是實際中18650電池發生熱失控時會在短時間內產生大量的氣體（3Ah的電池能夠在2s的時間內產生6L的氣體），上蓋的防爆閥不足以釋放所有的氣體，因此也就導致18650電池熱失控時可能會發生殼體破碎，從側面釋放燃燒產物和氣體，這就導致熱失控在電池組內擴散的風險大大增加。

為了測試電池結構、內短路器放置位置對于電池熱失控行為的影響，DonalP.Finegan設計了下表所示的實驗，實驗中總共測試了228只電池，下表中的數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，電池不采用內部短路器時，如果電池具有底部防爆閥則全部的電池的底部防爆閥都會開啟，有44%的電池會發生底部撕裂。但是如果沒有底部防爆閥，則有2%的電池會從上部噴發，7%的電池從頂部撕裂，2%的電池從側面撕裂，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險。增加殼體厚度到250um能夠有效降低電池噴發和側面撕裂的風險，僅有7%的電池從頂部撕裂。

內短路器的安放位置也對于鋰離子電池的熱失控行為具有顯著的影響，從上表d能夠看到如果內短路器安放在電池的上部會大大增加電池從上部泄壓的風險，從頂部撕裂的概率達到64%。如果將內短路器放置在電池的底部則能夠完全避免從電池上部泄壓，所有的電池都會從電池的底部進行泄壓，但是會有17%的電池從殼體的側面撕裂泄壓。如果將內短路器安置在電池的中間位置，則有8%的電池會從頂部噴發和撕裂，而54%和62%的電池會從電池的底部發生噴發和撕裂?？梢钥吹絻榷搪菲鞯姆胖梦恢脤τ?8650電池最終在熱失控中的行為具有顯著的影響，內短路器靠近哪一端，則電池在該端噴發和撕裂的風險就會大大增加。

內短路器的放置深度也對于電池的熱失控行為有一定的影響，將內短路器的放置深度從6層調整為3層后，會導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%）。

下圖對比了內短路器放置位置對于電池熱失控中熱量擴散途徑的影響，從下圖b和c能夠看到內短路器的放置位置對于電池熱失控放出的總熱量沒有顯著的影響，但是對于熱失控熱量的擴散途徑具有顯著的影響。對于具有底部防爆閥的電池而言，如果內短路器放置在電池的頂部，則有51.1%的熱量會從電池的頂部噴出，11.7%的熱量從電池的底部噴出。但是如果將內短路器放置在電池的底部，則只有32.5%的熱量從電池頂部噴出，31.3%的熱量會從電池的底部噴出。

從下圖c能夠看到內短路器的放置深度對于鋰離子電池的熱失控行為也有一定的影響，內短路器放置深度為6層時，電池放出的總熱量（59kJ）要小于放置深度為3層時（63.1kJ）。同時內短路器放置深度比較大時也使得18650電池熱失控從電池底部釋放的熱量也更多。

對比下圖b和d我們還能發現，在有底部泄壓閥的情況下，熱失控中從電池頂部噴出的熱量大大減少，電池底部噴出的熱量顯著的增加，電池殼體保留的熱量明顯增加，有底部泄壓閥的電池熱失控后重量也要比沒有底部泄壓閥的電池重5g（24%），表明底部泄壓閥能夠有效的降低電池內部熱失控過程中的氣壓，從而減少氣流帶走的電池內部高溫活性物質，降低了熱失控擴散的風險。

DonalP.Finegan的研究表明內短路器的放置位置、深度都對鋰離子電池熱失控行為具有顯著的影響，內短路器靠近電池的哪一端，則電池從該端破裂的風險就會大大增加。18650電池殼體的結構也對于鋰離子電池的熱失控行為有明顯的影響，具有底部防爆閥的電池能夠更早的釋放電池內部壓力，從而減少氣體積聚，減少電池熱失控中噴出的高溫物質，從而有效的減少熱失控在電池組內擴散的風險。