鋰電池不同連接方式下的針刺測試探究

潘 逸，顧陳豪，王 瑜，羅 濤，郝 麗

(浙江南都電源動力股份有限公司，浙江杭州 310000)

鋰電池受到鋼針刺穿后可能會內短路而引發熱失控，該現象屬于鋰電池熱失控的一種機械誘因[1]。針刺時，電池的正負極片與鋼針觸碰而導通電子形成短路回路[2]，會產生較大電流，導致極片電阻大量產熱，若隔膜融化，又會加劇內部短路。以往研究人員對電芯不同連接方式下的針刺探究較少，經驗顯示對電池模組針刺的危險性遠高于對單個電芯針刺，因此，本文對多電芯組成模組后的針刺現象和失效機理進行了探究。

1 測試樣品與實驗方案

實驗選用一款商業化20 Ah的磷酸鐵鋰軟包電芯，正極活性物質為磷酸鐵鋰，負極為人造石墨。電芯充電到滿電態后，再對多個單電芯進行串聯或并聯方式的極耳焊接，形成兩串、三串、兩并和三并的電池組，分別針刺并觀察記錄不同連接方式下針刺現象和溫度的區別。為直觀體現針刺時電芯不同位置發熱量的區別，每個電芯表面的正極極耳附近、負極極耳附近、中心位置和底部位置均布置熱電偶采集溫度，中心位置即電芯表面鋼針針刺處附近，底部為表面遠離極耳的一側。為最大程度避免監測的溫度受到相鄰電芯的干擾，兩側電芯表面的熱電偶均朝外布置。選用5 mm 的鋼針以25 mm/s的速度垂直電芯表面的幾何中心位置刺穿電芯。

2 實驗結果

2.1 單體電芯針刺結果

對滿電的單電芯進行針刺，鋼針垂直電芯中心位置刺入后，電芯無鼓脹、無冒煙。圖1(a)為單電芯針刺時電芯表面溫度及電壓變化，電芯針刺處附近升溫最快，隨后溫度一直保持最高。而正、負極附近和底部位置的溫升幾乎一致，與中心溫度一直保持一定的差距。針刺時電壓瞬間下降，但僅從3.35 V 降至3.30 V 左右，之后緩慢回升，隨時間推移逐漸維持在一定值。

2.2 兩并電芯針刺結果

對兩只并聯的滿電電芯進行針刺，鋼針垂直貫穿兩只電芯，針刺后兩電芯均無鼓脹、無冒煙。圖1(b)為兩并電芯針刺時兩只電芯表面的溫度變化，兩只電芯中心位置的溫升最快，后期溫度逐漸平穩，第一只電芯的中心溫度始終高于第二只電芯的中心溫度，最高達59.8 ℃。此外，兩只電芯的正、負極附近以及底部位置溫度均相差不大，且遠小于中心位置的溫度。

2.3 兩串電芯針刺結果

對兩只串聯的滿電電芯進行針刺(第一只電芯正極與第二只負極焊接串聯)，鋼針從電芯中心位置刺穿兩電芯，刺入后第一只電芯較快地發生鼓脹并冒煙，第二只電芯略微鼓脹但并無冒煙。圖1(c)為兩串電芯針刺時兩只電芯表面的溫度變化，溫度遠高于兩并針刺時的溫度，兩只電芯的溫度存在較大差異，第一只電芯的整體溫度明顯高于第二只電芯，且中心位置溫度最高，達237.1 ℃，正極附近溫度次之，高于負極附近溫度，底部溫度最低。第二只電芯溫度整體較低，溫度最高處為正負極附近，而非中心位置。

圖1 單電芯、兩并電芯、兩串電芯針刺時電芯表面溫度曲線

2.4 三并電芯針刺結果

對三只并聯的滿電電芯進行針刺，鋼針貫穿三只電芯后，均無鼓脹、無冒煙。圖2(a)為三并電芯針刺后各電芯的溫度變化，中間第二只電芯的中心位置溫升最快，且溫度一直保持最高，最高時達90.7 ℃，溫升次快的是第一只和第三只電芯的中心位置，第一只溫度高于第三只。中間電芯的正負極附近和底部位置的溫升一致，溫度幾乎無差異。溫度最低的為第一只和第三只電芯的正負極附近和底部位置，均相差不多。

2.5 三串電芯針刺結果

對三只串聯的滿電電芯進行針刺(從第一只電芯正極開始串聯)，刺穿三只電芯后，三只電芯均發生嚴重鼓脹，程度較為劇烈，并持續冒出大量的煙，但未起火。圖2(b)為三串電芯針刺后電芯表面的溫度變化，針刺后第二只電芯中心位置處溫度急劇升高，在整個反應階段溫度均保持最高，峰值溫度達408.9 ℃；溫度次高的為正負極附近位置，而負極溫度高于正極溫度。其余位置中，第一、三只電芯的中心溫度相對較高；第一只電芯的正極附近溫度高于負極附近溫度，而第三只電芯則相反；三只電芯底部的溫度均較低。需注意的是，針刺過程中產生的大量煙霧會對監測溫度造成一定擾動。

圖2 三并電芯、三串電芯針刺時電芯表面溫度曲線

2.6 各電芯針刺后外觀

圖3(a)～(e)依次為單電芯、兩并、三并、兩串和三串電芯針刺后的電芯外觀。單電芯、兩并和三并電芯針刺后外觀上無異常，也均無鼓脹現象；兩串和三串電芯針刺后，表面均因針刺時的高溫及煙霧熏焦而變色，而兩串電芯僅第一只外觀變色，第二只僅鼓脹無變色，三串電芯在針刺后每只電芯均變焦黃，且電芯的側邊均有開裂。

圖3 單電芯、兩并、三并、兩串和三串電芯針刺后的外觀照片

3 結果分析與討論

3.1 單電芯針刺分析

單電芯針刺時，電芯電壓會出現突降和緩慢回彈現象，因鋼針導通局部正負極片產生內短路現象，局部短路電流放電，導致電芯電壓小范圍內突降；電壓回彈現象推測是因為鋼針針刺周圍的負極片上鋰離子大部分已脫嵌，短路電流變小，極化減弱。

3.2 兩并、三并針刺分析

兩并和三并電芯針刺后的情況類似，溫度均在持續緩慢上升，說明針刺后較長時間內電芯內部持續有內短路電流存在。三并電芯針刺時中間電芯的溫度最高，可能因夾于中間導致散熱最差，與兩側電芯有明顯的溫差。但三并針刺的第一只溫度高于兩并電芯的第一只，而兩并針刺溫度又高于單電芯針刺，因此電芯并聯針刺時可能存在一種除了內短路電流之外的電流，使得并聯針刺產生的熱量大于單只電芯針刺的內短路產熱，推測是并聯針刺過程中還存在不同電芯之間由于電壓差異而產生的環流電流[3]。

3.3 兩串、三串針刺分析

串聯針刺時溫度明顯比并聯針刺高得多，故兩種連接方式下針刺可能是兩種完全不同的反應機理。而三串針刺時溫度以及劇烈程度又遠高于兩串針刺，說明三串針刺時電芯流經了更大的短路電流；且每一只電芯極耳及針刺附近的溫度會高于底部位置的溫度，說明同一電芯不同位置的產熱情況也不同。通過以上現象，再結合多只電芯間正負極相接的串聯方式，可推測出鋼針貫穿多只電芯時可能形成電芯短接下的外短路回路，即電芯由鋼針串通形成首尾相接的短路現象，且外短路電流在流經鋼針針刺處會有較大產熱。

圖4 為本文推理的三串針刺時外短路回路及電流流向圖。中間電芯分別和兩側電芯通過鋼針導通構成外短路回路，第一只電芯的正極和第二只電芯的負極串聯，而將針刺處的鋼針看作第一只電池的負極和第二只電池的正極連接，兩只電芯正負極依次相連構成短路回路，且認為在鋼針處僅有第一只電池的負極極片群和第二只電池的正極極片群參與了該外部短路。理論上，兩側的兩只電芯通過鋼針導通同樣形成了短路回路，而此短路電流仍會流經中間電芯。

圖4 三串電芯針刺短路電流模型

串聯焊接的極耳上會流經外短路電流，故每只電芯串聯焊接的極耳附近溫度會高于另一只極耳附近，也符合兩串和三串針刺時的溫度現象。兩串電芯針刺時的外短路回路數量僅為1 條，比三串針刺時短路回路少，故溫度整體偏低。

4 實驗驗證分析

4.1 兩并針刺環流驗證

為了探究并聯針刺時電芯之間是否有環流電流，將兩只滿電電芯的正極極耳通過一根電阻約為0.6 mΩ 的導線焊接，兩負極極耳直接焊接，形成并聯狀態。在導線中放入兩個方向相反的霍爾電流傳感器，以監測可能存在的不同方向的環流電流。圖5 為兩并電芯針刺接線示意圖與針刺時兩只電芯之間的電流流向及電壓曲線。

如圖5(b)所示，刺入第一只電芯時，瞬間產生第二只電芯對第一只電芯充電的突變電流，峰值達5.9 A，隨即消失；當鋼針刺穿第二只電芯時，在較短的時間內，第一只電芯對第二只電芯充電，此后均是第二只電芯持續對第一只電芯充電，電流大約穩定在0.6 A。可能是第一只電芯內短路放電更嚴重，導致電壓持續低于第二只電芯，故第二只電芯持續對第一只電芯進行充電。

圖5 兩并電芯針刺接線示意圖與兩并針刺電流流向和電壓曲線

4.2 三并針刺環流驗證

為探究三并電芯針刺的環流情況，對三只電芯進行并聯，采取的方式為，電芯1 和2 的負極極耳用導線連接，電芯2和3 的負極直接焊接，電芯2 和3 的正極極耳用導線連接，電芯1 和2 的正極極耳直接焊接。在電芯1 和2 之間的導線上放入兩個方向相反的霍爾電流傳感器，在電芯2 和3 之間的導線上放入一個霍爾電流傳感器，擺放方向為電流從電芯3流向電芯2。圖6 為三并電芯接線示意圖與針刺時電芯間的電流流向及電壓曲線。

由圖6(b)可知，從上到下三只電芯的電壓是依次遞增的，但差值較小；針刺后僅監測到電芯2、3 正極間的導線上持續存在電流，且一直維持在0.7～0.8 A；而電芯1、2 負極之間的導線上，除了針刺瞬間出現了極短時間的電流，此后再無電流出現。說明針刺后的靜置階段中，有電流持續從電芯3 的正極流向電芯1、2 的正極，而沒有電流從電芯1 的負極流向電芯2、3 的負極以及電芯2 的負極流向電芯1 的負極，因此推測該三并針刺時環流電流并非從正-負極耳流過，可能是從正極-鋼針處流過。而電流產生的原因是電芯3 電壓相對最高，電芯3 給電芯1、2 充電。

圖6 三并電芯針刺接線示意圖與三并針刺電流流向和電壓曲線

為了驗證上述推測，再次進行三并針刺實驗。并聯方式為電芯1、2 的負極極耳直接焊接，再用一根導線連接電芯3的負極，而電芯3 的正極連出兩根導線，分別與電芯1、2 的正極極耳連接。將3 只霍爾電流傳感器分別置于每根導線中，設置傳感器的方向為電芯3 正極流向電芯1、2 的正極以及電芯1、2 的負極流向電芯3 的負極。圖7 為三并電芯再次針刺的接線示意圖與三只電芯間的電流流向及電壓曲線。

由圖7(b)可知，電芯2 的電壓一直最低，電芯1 的電壓居中，電芯3 的電壓一直最高。而三根導線中僅監測到從電芯3的正極流向電芯2 正極的電流，并無電芯3 正極流向電芯1 正極的電流以及從電芯1、2 負極流向電芯3 負極的電流。該電流情況再次表明三并針刺時環流并不從正-負極耳經過，推測也是從正極-鋼針處流過；并且此次針刺時，電壓最高的電芯3 給電壓最低的電芯2 充電，而電芯1 可能也對電芯2 進行充電，該電流若存在，則從電芯3 與電芯2 正極之間的導線流過。與前次實驗進行對比，發現環流電流大小與電芯間電壓差值相關，電壓差值越大，則環流電流更大。

圖7 三并電芯再次針刺實驗接線圖與三并針刺電流流向和電壓曲線

兩次實驗均驗證了環流電流的存在，并且環流電流可能是從正極-鋼針處流過，即鋼針在電芯內接觸到的電芯負極極片群一同構成了電芯的新負極，通過正極-新負極的環流回路，高電壓電芯給低電壓電芯進行充電。但并非表明三并針刺環流只能從正極-鋼針流過，可能也與針刺的位置、距離等因素有關，未來將繼續探究。

4.3 兩串針刺外短路電流驗證

為探究電芯串聯針刺時是否存在外短路電流及該電流的大小，將兩只電芯用電阻約為0.6 mΩ的導線進行串聯，第一只電芯的正極與第二只電芯的負極串聯，導線上置入一個霍爾電流傳感器，設置其方向為電流從第一只的正極流向第二只的負極，即符合圖4 所推測的電流流向。圖8 為兩串電芯針刺接線示意圖與針刺時兩只電芯間的電流情況及電壓曲線。

圖8 兩串電芯針刺接線示意圖與兩串針刺電流流向和電壓曲線

鋼針刺穿瞬間，兩只電芯的電壓均發生突降，同時導線上瞬間產生一個極大的短路電流，峰值達461.3 A，該電流僅持續約7 s 即大幅減小至100 A 以下。隨后第一只電芯的電壓發生一定的回彈，從2.23 V 回彈至2.78 V 后又逐漸下降，第二只電芯的電壓則持續降低。當外短路電流持續減小至0 A后，兩只電芯的電壓也逐漸減小至0 V。電流和電壓的變化也符合實驗現象，針刺短時間內第一只電芯發生鼓脹及冒煙，溫度也明顯高于第二只電芯，即能解釋第一只電芯電壓回彈的原因：溫度驟升后，導致內阻快速減小，電壓U=E-Ir，內阻r減小，同時電流I也減小，故電壓會有明顯的回彈。至于兩串電芯針刺時，兩只電芯失效程度有差異的現象，仍需將來更深入的探究。

4.4 三串針刺外短路電流驗證

探究三串電芯針刺的外短路電流情況，第一只電芯的正極通過導線與第二只電芯的負極串聯，第二只電芯正極通過導線與第三只電芯負極串聯，兩根導線中各接入一個霍爾電流傳感器，設置方向為電流從第一只電芯流向第二只電芯，再流向第三只電芯。圖9 為三串電芯針刺接線示意圖與針刺時各電芯之間的電流情況及電壓曲線。

圖9 三串電芯針刺接線示意圖與三串針刺電流流向和電壓曲線

鋼針刺穿電芯瞬間，三只電芯的電壓即發生突降，兩根導線上瞬間產生一個極大的電流，監測到從電芯1 正極流到電芯2 負極的電流最大值達630 A，從電芯2 正極流向電芯3負極的電流最大值達756 A。與兩串針刺時相似，電芯1、2 的電壓瞬間大幅度下降后又出現回彈現象，回彈僅持續7 s，便又開始回落。根據前文推測的三串針刺外短路電流情況，知第二只電芯流經的電流最大，故發熱最嚴重，這點從電壓下降曲線中可驗證，電芯2 電壓明顯快于電芯1、3 降到0 V，失效最快。

5 總結

本文通過對不同連接方式的電池組進行針刺，發現串聯電芯進行針刺時，電芯溫度以及反應劇烈程度都比并聯電芯針刺時高得多，對電芯表面不同位置的溫度進行對比后，提出合理解釋，串聯針刺溫度高是因存在較大外短路電流，尤其是三串針刺時的中間電芯，流經的外短路電流最大，表面溫度最高。并聯電芯進行針刺時，溫度明顯高于單個電芯針刺，分析是因電芯之間存在壓差，進而存在環流電流。本文再次通過實驗驗證上述推測，監測到并聯電芯針刺存在環流電流，且環流電流可能流經鋼針；串聯電芯針刺時存在較大的外短路電流，兩串針刺時達到461.3 A，三串針刺時電流更大，分別達到了630 和756 A。