隨著鋰離子電池在電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域的廣泛使用，其安全問(wèn)題也越來(lái)越受到人們的重視，通過(guò)對(duì)濫用條件下的安全預(yù)測(cè)來(lái)確定電池故障風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視。電池內(nèi)部短路則是一類(lèi)非常危險(xiǎn)的情況，通常采用穿釘實(shí)驗(yàn)?zāi)M內(nèi)部短路，這種方法簡(jiǎn)單，風(fēng)險(xiǎn)程度低，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以重現(xiàn)和預(yù)測(cè)。更為重要的是，許多測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)都尚未明確含義穿刺實(shí)驗(yàn)，這使得其對(duì)預(yù)測(cè)安全風(fēng)險(xiǎn)的作用極其有限！正因?yàn)槿绱?，之前也?tīng)說(shuō)過(guò)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要取消這一實(shí)驗(yàn)，但能不能改良后實(shí)現(xiàn)有效評(píng)估，保留這一測(cè)試呢？

假如可以準(zhǔn)確重現(xiàn)電池穿透現(xiàn)象，定量評(píng)估危險(xiǎn)程度，則穿刺試驗(yàn)可能就是一種十分有效的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。目前已有多種實(shí)驗(yàn)來(lái)解釋理解釘刺期間發(fā)生的現(xiàn)象。但穿刺過(guò)程中溫度升高，會(huì)導(dǎo)致材料的降解，產(chǎn)生有毒易燃的氣體，現(xiàn)象十分復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量分析困難，最重要的是難以用實(shí)驗(yàn)方法掌握全部現(xiàn)象。以前提出的X射線CT熱失控期間高速斷層掃描可以直接觀察到熱濫用試驗(yàn)中的熱降解，但是這種方法并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)定量評(píng)估。另外，數(shù)值方法是定量評(píng)估的有效方法，利用1D或2D的建?？梢越档统杀?，但也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算精度的降低，而3D模型結(jié)果準(zhǔn)確，但是計(jì)算復(fù)雜，同時(shí)沒(méi)考慮到釘子穿刺速度的影響，仍難以實(shí)際操作。

針對(duì)以上種種問(wèn)題，日本神鋼研究所的TakumiYamanaka教授基于有限元法（FEM）對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行了改進(jìn)，可以詳細(xì)模擬釘子穿透鋰離子電池的現(xiàn)象。為了減少計(jì)算規(guī)模，該團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一種新的電化學(xué)-熱耦合模型，即“三元模型”，它可以將三維熱行為的特征現(xiàn)象考慮在內(nèi)。此外，還含義了“燃燒量”這一定量指標(biāo)來(lái)評(píng)估危險(xiǎn)程度。使用這些模型和參數(shù)，可以定量評(píng)估測(cè)試條件（包括電池狀態(tài)）和電池內(nèi)短路危險(xiǎn)程度之間的關(guān)系。

圖1.“三重模型”的示意圖，其中三種現(xiàn)象由一維，二維和三維模型建模。

圖2.（a）實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖，以及在穿透后（b）1.00秒和（c）1.35秒的釘刺試驗(yàn)期間的狀態(tài)。

在“三重模型”中，通過(guò)一維建模模擬電化學(xué)現(xiàn)象，通過(guò)2D建模模擬集電器中導(dǎo)電以及通過(guò)3D建模模擬熱現(xiàn)象和熱分解反應(yīng)，最后將這些模型彼此適當(dāng)?shù)伛詈?，得到?jì)算結(jié)果。

首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的比較，以驗(yàn)證計(jì)算的可行性。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)釘子穿透電池時(shí)，氣體直接從釘子周?chē)目字邪l(fā)出。隨后氣體產(chǎn)生使電池發(fā)生膨脹。最后，電池被點(diǎn)燃，實(shí)驗(yàn)終止。

圖3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與（a）放電曲線，（b）電池表面溫度和（c）燃燒體積的時(shí)間歷程計(jì)算結(jié)果的比較

在階段I（t<0.6s）中，當(dāng)釘子穿透時(shí)，電壓從開(kāi)路電壓下降。

在階段II（0.6s<t<1.5s）中，電壓逐漸降低。但是在實(shí)驗(yàn)中電壓是暫時(shí)恢復(fù)然后再次降低，這種差異可能是由于釘子和電極之間的接觸電阻變化引起的，而在計(jì)算中該參數(shù)被設(shè)定為恒定值，所以導(dǎo)致了II和III階段的電壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差別。計(jì)算結(jié)果比較精確地再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。同時(shí)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)過(guò)程不僅與電壓有關(guān)，還與電池表面溫度有關(guān)。表面溫度的前兩階段試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相當(dāng)吻合。

在階段III中，由于電池膨脹導(dǎo)致熱電偶不能準(zhǔn)確探測(cè)到電極溫度，從而產(chǎn)生了差異。因此基本上可以認(rèn)為計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。此外，還證實(shí)了計(jì)算中燃燒體積的轉(zhuǎn)變類(lèi)似于氣體排放的趨勢(shì)。這表明燃燒體積與氣體排放程度相關(guān)，而氣體排放則與熱分解反應(yīng)有關(guān)，因此可以通過(guò)燃燒體積來(lái)預(yù)測(cè)反應(yīng)的程度。

圖4.（a）在標(biāo)準(zhǔn)條件下使用的計(jì)算網(wǎng)格的示意圖，以及（b）在改變釘子穿透位置時(shí)的位置的含義。

圖5.比較（a）釘穿透速度和（b）釘穿透位置相關(guān)于電極最高溫度的時(shí)間歷程，以及（c）釘穿透速度和（d）釘穿透位置相關(guān)于相對(duì)燃燒體積的比較。

最后作者通過(guò)參數(shù)變化研究影響了燃燒風(fēng)險(xiǎn)的因素。所選擇的參數(shù)是：（1）釘穿透速度和（2）電極上的釘穿透位置。為了便于理解燃燒體積的大小，通過(guò)將燃燒體積除以電極片的總體積來(lái)計(jì)算相對(duì)燃燒體積（RCV）。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著穿透速度的降低，燃燒的風(fēng)險(xiǎn)趨于新增。這是因?yàn)榻档痛┩杆俣妊娱L(zhǎng)了產(chǎn)生大的環(huán)繞電流的時(shí)間。特別是當(dāng)穿透速度為0.1mm/s時(shí)，RCV高出100倍，并且超過(guò)300℃持續(xù)燃燒的總時(shí)間更長(zhǎng)?？偟膩?lái)說(shuō)，結(jié)果分析認(rèn)為釘子穿透速度的快慢與釘子的穿透位置相比，穿透速度與燃燒風(fēng)險(xiǎn)具有更強(qiáng)的相關(guān)性。

計(jì)算結(jié)果表明釘子穿透速度越慢，發(fā)生燃燒風(fēng)險(xiǎn)程度越高，這一點(diǎn)對(duì)電池實(shí)際應(yīng)用中的防護(hù)方法的改善具有現(xiàn)實(shí)意義。這種三元模型可以準(zhǔn)確的再現(xiàn)釘子穿透試驗(yàn)的結(jié)果，同時(shí)普遍性驗(yàn)證還未進(jìn)行，因此進(jìn)一步的工作應(yīng)該是解決普遍性問(wèn)題。同時(shí)盡快提出相應(yīng)的實(shí)際可行的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)也是重中之重，只有標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一才有可能使釘子穿透試驗(yàn)成為可信賴(lài)，可預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的試驗(yàn)方法。