不同荷電量軟包鋰電池針刺試驗研究

謝文強1,2

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710077；2.國家安全生產西安勘探設備檢測檢驗中心，西安 710077）

0 引言

在新能源的快速發展中，鋰離子蓄電池依靠運行壽命長、能量密度大、便攜使用等諸多優點慢慢躋身于能源界的領跑者，尤其是各類儀器儀表、無人機、通訊設備等的應用也迅速擴大[1]，然而新能源的安全性問題也尤為突出[2]。鋰電池安全性是目前制約鋰離子電池應用的主要瓶頸之一，內短路是其中最難以有效控制的問題[3]。針刺試驗是檢測鋰電池內短路情況下安全性能的主要方法[4,5]。文獻首次對鋰離子蓄電池進行針刺檢驗，認為電池荷電狀態、正極材料、隔膜材料和針刺速度都會對針刺檢驗的測試結果產生顯著的影響[6]。文獻對鋰離子蓄電池的針刺熱失控進行了仿真研究，鋰離子蓄電池在針刺檢測后并未發生猛烈的熱失控情況，其溫升速度也符合電池短路所導致的溫升情況。本文對比了3 種正極材料為動力電池的針刺短路電流及溫升速度，發現針刺的容量為（10～15）Ah 的動力電池，在70s 內的時間里短路所形成的電荷量不超過30C，而且不容易出現快速起火燃燒的現象[7]。

以上情況未涉及到軟包疊片鋰電池這種情況，本文以不同荷電狀態下的軟包疊片鋰電池作為研究對象，針對不同狀態下的軟包鋰電池進行針刺試驗，采集觀察蓄電池在針刺試驗過程中的變化情況，測量電池溫升、開路電壓變化以及電池熱失控后的燃爆特性。采用貝爾公司生產的針刺試驗機進行針刺試驗，記錄電池變化，為鋰離子電池的生產、檢驗的安全性量化評價提供基礎數據。

1 軟包疊片鋰電池針刺試驗概況

1.1 試驗設備及被試樣品

本文依據MT/T 1051-2007《礦燈用鋰離子蓄電池》相關標準要求[8]，采用針刺模擬內短路的出現。試驗過程中采用直徑為3mm 的鋼針，以20mm/s 的速度刺穿電池并保持1min，觀察電池的變化情況。針刺試驗機如圖1。

圖1 針刺試驗機Fig.1 Acupuncture testing machine

該設備是針對電池進行模擬電池遭受針刺的情形。電池按標準要求，進行針刺試驗后應不起火、不爆炸，電池外表面溫度應不高于150℃。設備操作步驟為：首先是按下電源啟動按鈕，設備接通電源，電源指示燈開啟；打開“照明”和“排風”；打開箱門，將樣品擺放于針刺孔正上方并固定，再將箱門關上；選擇“針刺測試”模塊，確定針刺速度，設定保持時間；按下“啟動”按鈕，使鋼針往下以一定地速度刺穿樣品，并達到保持時間后，鋼針回位；測試完畢，確認無爆炸、無著火情況下將安全門打開，取出試驗品放至安全觀察區；關閉“照明”和“排風”，測試結束。此試驗為安全檢測試驗，隨時會發生爆炸、著火現象，請備好滅火器，以防范于未然。試驗完畢后及時清理試驗過程當中的殘留物，擦拭干凈。

被試樣品選用10Ah 軟包疊片鋰電池（4.2V，10Ah），樣品實物照片如圖2。電池樣品的其他技術參數見表1。

圖2 10Ah軟包疊片鋰電池Fig.2 10Ah soft package laminated lithium battery

表1 電池參數Table 1 Battery parameters

1.2 試驗方案

針刺試驗是模擬電池強制內部短路的一種方式，在生產、運輸過程中可能會遇到濫用的情況，導致電池內部的刺穿，進而導致電池的不安全。

行業標準MT/T 1051-2007 中電池針刺試驗規定：試驗應在（20±5）℃的環境溫度下進行，將接有熱電偶的電池（熱電偶的觸點固定在電池大表面上）置于通風櫥中，用直徑3mm 的無銹蝕鋼針以20mm/s～40mm/s 的速度刺穿電池最大表面的中心位置，并保持1min。試驗結果判定條件是：不起火、不爆炸，電池的外表面溫度不應高于150℃，判定為合格，反之不合格。

因此，針對被試樣品10Ah 軟包疊片鋰電池（4.2V，10Ah），首先需要進行2 個循環的充放電試驗，采用試驗電流I5進行恒流恒壓充電，充完電后擱置30min，然后進行放電試驗，放電電流依然采用5h 放電電流I5進行。考慮到試驗誤差和隨機性，不同荷電量的電池進行4 次，采用直徑為3mm 的鋼針，以20mm/s 的速度刺穿電池中心位置并保持1min，每組試驗結束后擱置2h，觀測電池變化、電壓變化等參數指標；最后進行鋼針的處理和檢測環境的清理工作，準備下一組試驗。

2 試驗過程與分析

2.1 荷電量50%的軟包疊片鋰電池試驗現象分析

試驗前需要對被軟包疊片鋰電池進行“三充三放”試驗，即針對被試樣品進行3 個循環的標準充放電試驗，確保被試樣品的狀態處于適檢狀態，并核實其測試容量是否達到設計要求后進行針刺檢驗。

然后對充滿電的軟包疊片鋰電池進行放電，通過電池充放電機進行，放電至50%荷電量為止，然后擱置30min后進行針刺試驗。荷電量值為50%的電池通過針刺試驗后，在針刺點處伴隨著少量的電解液泄漏，電池溫度略有升高，最高達到80℃，但開路電壓下降了0.1V。隨之擱置時間的增長，電壓最大下降0.3V。荷電量為50%的軟包疊片鋰電池針刺試驗現象如圖3。

圖3 荷電量為50%的軟包疊片鋰電池針刺試驗現象Fig.3 Needle-punching test of lithium battery with 50% charge capacity in soft package laminate

2.2 荷電量100%的軟包疊片鋰電池試驗現象分析

首先將軟包疊片鋰電池充滿電后，擱置30min 后進行針刺試驗。針刺荷電量為100%的軟包疊片鋰電池時，電池發生了劇烈的熱失控現象。試驗中的4 塊電池均發生了起火爆炸現象，電池的正極噴射出火焰并伴隨著大量的濃煙和刺鼻的氣體，火焰持續15s 左右熄滅，電池整體燃燒殆盡。荷電量為100%的軟包疊片鋰電池針刺試驗現象如圖4。

圖4 荷電量為100%的軟包疊片鋰電池針刺試驗現象Fig.4 Needle-punching test of lithium battery with 100% charge capacity in soft package laminate

3 結果與討論

3.1 熱失控原理分析

在針刺過程中，熱失控現象主要是由針刺引起的內短路生熱、針刺區域的正負極物質的電化學反應放熱、電池的電化學性能在隔膜失效后直接反應而瞬間釋放產生熱聚變引起的，同時內部阻燃材料的好壞也決定了熱失控后的爆炸程度。被測軟包鋰電池在進行內部熱分解時，其內部的正負極材料以及電解液進行分解反應，當在滿荷電量狀態下，樣品軟包鋰電池的正極會大量析出進行反應，大量的化學反應使其樣品進行氧化反應，產生大量的氣體和熱量。這些熱量又必須得到釋放，當大量的氣體和熱量無法得到釋放時，被試樣品軟包鋰電池就發生了熱失控現象，導致電池的溫度繼續升高，從而進一步加快了放熱反應，導致電池最終熱失控。

3.2 電池荷電量的影響

當針刺直接造成電池內部短路時，針刺的被試軟包鋰電池通過檢測的可能性就越低。因此，在進行鋰電池針刺試驗時會對被測電池進行預處理，也就是所說的“三充三放”過程。在進行針刺試驗時，被測樣品必須是滿電量狀態，通過針刺試驗進一步來判斷被測鋰電池在極端情況下抗風險能力和質量的優劣。從測試結果可知，低電量狀態下電池收到針刺內部短路情況下相比滿電量安全的多。因此，在電池運輸過程中，電池的最佳安全狀態應為低電荷狀態，這種狀態還可以避免類似電池針刺所帶來的熱失控和起火等安全問題。

3.3 電池隔膜的影響

電池體系的隔膜是一個與安全性能密切相關的部件。電池的隔膜位于電池的正負極之間，其作用是將電池的正負極所應用到的活性材料分離開來，防止電池內部發生短路。當發生電化學反應時，電池的隔膜能保持電解液形成離子移動的通道。鋰離子電池隔膜的性能優劣直接關系到被測鋰離子蓄電池的結構和內阻，從而會影響電池的容量、循環性能和充放電電流密度等重要特性，性能優異的隔膜對提升鋰離子蓄電池及動力電池的綜合性能有重要意義。

4 結論

通過現場試驗分析，針刺試驗后軟包鋰電池的數據參數可以發現，針刺對軟包疊片鋰電池的損壞是不可逆的，同時在被測電池發生熱失控的時候，對人員和設備的安全都產生了威脅。因此，鋰離子蓄電池的安全性能依然是影響儀器設備發展應用的重要因素。通過分析影響電池安全的諸多因素，選擇合理的材料和測試參數，才能進一步地切實改善鋰離子蓄電池的安全特性和測試的準確性，生產出安全性能良好的產品，使各類儀器儀表的應用更加可靠。通過實驗研究，在后續鋰離子蓄電池的研發過程和運輸過程中，都要特別注重加固鋰電池的外部結構和荷電量，防止電池因濫用等情況使其機械破壞引起重大安全問題。