熱失控是鋰離子電池最嚴(yán)重的安全事故，儲(chǔ)存在鋰離子電池內(nèi)部的電能和化學(xué)能在短時(shí)間內(nèi)大量釋放，使得鋰離子電池內(nèi)部的溫度甚至能夠達(dá)到900℃以上，同時(shí)熱失控中電解液、活性物質(zhì)分解出現(xiàn)的大量氣體會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部的壓力急劇升高，甚至引起鋰離子電池的爆炸。為了保證在鋰離子電池的安全性，通常我們會(huì)在電池殼上設(shè)計(jì)一個(gè)防爆閥，在壓力過高時(shí)能夠及時(shí)被破壞，釋放電池內(nèi)部的壓力，防止熱失控中電池發(fā)生爆炸。

關(guān)于18650電池而言，防爆閥設(shè)計(jì)在電池的上蓋之中，防爆閥還兼具了斷路器的功能，在電池內(nèi)部壓力升高到一定程度時(shí)，防爆閥動(dòng)作切斷電流回路，當(dāng)電池內(nèi)部的壓力進(jìn)一步升高時(shí)，防爆閥結(jié)構(gòu)被破壞，釋放電池內(nèi)部的壓力，防止電池發(fā)生爆炸。之前我們重要是從原理上了解防爆閥的設(shè)計(jì)，由于18650電池上蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)讓我們很難直接看到在熱失控的過程中防爆閥動(dòng)作過程，近日倫敦城市學(xué)院的DonalP.Finegan（第一作者）和PaulR.Shearing（通訊作者）通過高速攝影裝置對不同廠家的18650電池上蓋在熱失控中防爆閥的動(dòng)作過程進(jìn)行了拍攝，還原了熱失控中18650電池防爆閥動(dòng)作的全過程。

相關(guān)研究顯示熱失控一旦發(fā)生，熱失控可能會(huì)在2s之內(nèi)蔓延到整個(gè)18650電池，因此為了能夠更好的觀察整個(gè)熱失控過程，要每秒為18650電池拍攝1000張以上的X光照片，而電池的爆炸時(shí)間小于0.01s，這就要更高的拍攝速度。為了滿足這一苛刻的要求，DonalP.Finegan采用歐洲同步輻射實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備對18650電池防爆閥的動(dòng)作過程進(jìn)行了拍攝，該設(shè)備曾經(jīng)對保險(xiǎn)絲的熔斷起弧過程進(jìn)行了拍攝，其分辨率達(dá)到了每秒鐘百萬次拍攝的級別。

試驗(yàn)總共對來自LG、松下、三星和三洋的5款18650電池和一款具有雙防爆閥新型設(shè)計(jì)的18650電池進(jìn)行研究（如下表所示），5種電池的正負(fù)極材料分別采用NMC、NCA、LMO和LCO混合，用來驗(yàn)證不同的體系和電池結(jié)構(gòu)對防爆閥安全性的影響。

LG、松下、三洋和三星的18650電池上蓋和防爆閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖所示，從圖中我們能夠注意到所有的防爆閥都通過凸起結(jié)構(gòu)與焊盤相連（極耳焊接在焊盤上），當(dāng)電池內(nèi)部壓力升高到一定程度時(shí)防爆閥會(huì)發(fā)生變形，與焊盤脫離，從而切斷電流回路。同時(shí)我們也能夠觀察到所有的防爆閥結(jié)構(gòu)上都有一圈環(huán)狀的刻痕，當(dāng)電池內(nèi)部的壓力繼續(xù)升高到一定的值時(shí)，防爆閥被破壞電池泄壓，防止電池爆炸。此外，在LG、松下和三洋的電池上蓋種還包含PTC結(jié)構(gòu)（正溫度系數(shù)材料），當(dāng)電池的溫度上升時(shí)PTC材料的電阻急劇升高，從而阻止電流的繼續(xù)升高，而三星電池由于采用倍率型設(shè)計(jì)（20A放電），因此并未設(shè)計(jì)PTC結(jié)構(gòu)。

下圖為通過高速相機(jī)（每秒2000張）拍攝的LG的兩款電池和三洋電池的防爆閥泄壓過程（視頻1、3和5，視頻2、4、6為同樣電池重復(fù)試驗(yàn)），從下圖a和b中能夠注意到雖然LG-S3和LG-B4具有相同的防爆閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但是由于LG-B4電池內(nèi)部具有中心針，因此在熱失控中兩個(gè)電池的行為并不相同。關(guān)于S3而言，由于沒有中心針的支撐，電芯向中心塌縮，在快速流動(dòng)氣體的帶動(dòng)下，大量電芯上的活性物質(zhì)被撕扯下來，隨氣流噴到電池外部（下圖a的1.4545s處）。而B4電池由于電芯中央具有中心針，因此在氣流的用途下，中心針向其中一側(cè)移動(dòng)，減少了卷芯針傾斜的一側(cè)的活性物質(zhì)撕裂的情況，卻導(dǎo)致了另一側(cè)電極撕裂的加劇。

從上面的分析不難看出18650電芯內(nèi)部的中心針關(guān)于電池在熱失控中的行為有著顯著的影響，從下圖b和c我們能夠注意到在熱失控出現(xiàn)的氣體推動(dòng)下，LG-B4和三洋電池的中心針都出現(xiàn)了明顯的上移，中心針的存在防止了電芯向中心塌縮，為氣體擴(kuò)散供應(yīng)了足夠的擴(kuò)散通道，減少了氣體噴發(fā)時(shí)帶出的正負(fù)極活性物質(zhì)，降低了熱失控向周圍電池?cái)U(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)。

相關(guān)動(dòng)圖如下：

LG-S3

LG-B4

三洋

下圖為三洋、松下和三星的18650電池在發(fā)生熱失控后電池上蓋的三維結(jié)構(gòu)，從下圖中能夠看到三洋和松下的18650電池在發(fā)生熱失控后，中心針都在氣體的推動(dòng)下穿破電池上蓋，為氣體擴(kuò)散供應(yīng)了通道（視頻7為松下電池）。

三星的電池上蓋防爆閥在熱失控中發(fā)生了熔化，表明三星的18650電池采用了一種熔點(diǎn)低于鋼的材料制作防爆閥（視頻8）。

在整個(gè)測試過程中，作者發(fā)現(xiàn)電池的能量密度越高，則越容易發(fā)生爆炸。松下的電池容量達(dá)到3.4Ah，因此根據(jù)相關(guān)研究其在熱失控中能夠比其他幾種電池（2.6Ah）多出現(xiàn)2L氣體（2.5L/Ah）。為了分析電池的爆炸過程（0.01s）作者將X射線拍攝速度提高到了每秒20272張（視頻9）。

作者發(fā)現(xiàn)在相同的測試制度下，三星的7只18650電池中有兩只發(fā)生了爆炸，其余的5只正常的通過防爆閥釋放壓力。假如我們仔細(xì)觀察三星18650電池的整個(gè)爆炸過程（如下圖所示）可以看到4個(gè)過程：

1.電芯輕微向防爆閥處移動(dòng)。

2.電芯突然向防爆閥處移動(dòng)，堵住防爆閥的導(dǎo)致壓力積累。

3.壓力積累到一定程度后，防爆閥中央環(huán)形刻痕向外凸起，電池的電流回路切段。

4.電池殼上半部分的滾槽被拉直，防爆閥破裂，電極從防爆閥的破裂處噴出，電池爆炸。

松下的電池與LG的電池具有類似的結(jié)構(gòu)，也同樣具有中心針，不同的是松下的電池能量密度更高，電池的容量達(dá)到3.4Ah，因此在相同的實(shí)驗(yàn)條件下11只電池中有6只通過防爆閥發(fā)生了噴發(fā)，4只的防爆閥被中心針刺穿，1只保持完整。從下圖中我們能夠看到松下的電池?zé)崾Э貜碾娦就馊Φ牡?層開始，隨后熱失控蔓延，大量的電極被撕裂，表明熱失控出現(xiàn)的氣體的流速非常快。從下圖2.0660s處的圖片可以看到，中心針在高速氣流的帶動(dòng)下，開始向著電池上蓋的方向移動(dòng)，并刺破電池上蓋，到達(dá)電池的外部。

松下電池?zé)岜ㄟ^程也可以分為4個(gè)部分：

1.電芯向電池上蓋處輕微移動(dòng)，并與電池上蓋直接接觸，阻礙了電芯的進(jìn)一步移動(dòng)。

2.防爆閥在氣體壓力的用途下變形凸出，電池的電流回路被切斷。

3.電芯和中心針向著電池上蓋的方向上快速移動(dòng)，在電池上蓋上積累壓力。

4.在電芯施加的壓力的用途下，電池滾槽處被拉直，電池上蓋也被彈出，隨后電芯噴出。

比較三星電池的爆炸過程可以看到，松下電池的防爆閥是在氣體的用途下發(fā)生變形，而不是在電芯的用途下，這表明由于松下電池的容量更高，因此產(chǎn)氣更多也更快，現(xiàn)有的防爆閥設(shè)計(jì)不足以滿足快速泄壓的需求，要采用更為有效的方式對電池進(jìn)行泄壓。

下圖為三星和松下18650電池正常泄壓和爆炸后的圖片，可以看到正常泄壓的三星18650電池防爆閥中央發(fā)生了明顯的熔化現(xiàn)象，松下電池的防爆閥則被中心針刺穿，無論是松下還是三星的電池，在爆炸后其電池殼上蓋位置滾槽和壓縮密封處都在強(qiáng)大的壓力下被拉直了，電池的上蓋也被彈出。

從上面的分析不難看出雖然18650電池設(shè)計(jì)有防爆閥，希望在電池?zé)崾Э剡^程中及時(shí)泄壓，但是在實(shí)際的熱失控過程中往往由于電芯堵塞防爆閥，引起電池?zé)o法泄壓，引起電池爆炸，大量的活性物質(zhì)向周圍擴(kuò)散，這可能會(huì)造成熱失控在電池組內(nèi)部的擴(kuò)散。為了解決這一問題，作者在18650電池的底部設(shè)計(jì)了第二個(gè)泄壓閥（如下圖a所示），在熱失控過程中出現(xiàn)的氣體通過上下兩個(gè)防爆閥快速釋放，防止氣體積聚，防止電池爆炸。通過高速視頻我們能夠看到電池的熱失控分為以下三個(gè)步驟：

1.首先電芯輕微向上偏移，在電池的底部留出空間，氣體開始在底部聚集。

2.電池底部防爆閥開啟，積聚的氣體得到了釋放，電芯再次向底部移動(dòng)。

3.電池內(nèi)部壓力在可控的狀態(tài)下通過上下防爆閥得到釋放，電池殼上部和側(cè)壁沒有發(fā)生破碎和變形。

上下雙防爆閥的設(shè)計(jì)為熱失控中出現(xiàn)的氣體擴(kuò)散供應(yīng)了足夠的通道，能夠有效防止電池發(fā)生不可控的爆炸。

從DonalP.Finegan的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，上蓋的單防爆閥設(shè)計(jì)在18650電池發(fā)生熱失控時(shí)很難保證電池內(nèi)出現(xiàn)的氣體快速泄壓，特別是在電池容量比較大，短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大量氣體的情況的情況下，上蓋防爆閥很容易被位移的電芯所堵塞，從而導(dǎo)致電池內(nèi)部的壓力積聚，引起爆炸。而上下雙防爆閥的設(shè)計(jì)則能夠有效的提升氣體泄壓效率，減少電芯位移，防止了防爆閥被堵塞的情況，很好的改善了電池的安全性。但是上下雙防爆閥的設(shè)計(jì)也存在熱失控泄壓的過程中高溫氣體和物質(zhì)會(huì)同時(shí)從上下兩個(gè)方向釋放，這就要電池組設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮這一特性，針對性的設(shè)計(jì)一些結(jié)構(gòu)，防止熱失控的擴(kuò)散。

由于本論文涉及視頻較多，而微信里最多只能嵌入3個(gè)視頻，故本文只以動(dòng)圖形式供應(yīng)為主，下面篩選出了三個(gè)在線視頻，供大家觀看，更多視頻獲取方法請閱讀文后說明。

9#視頻：松下電池

10#視頻：三星

11#視頻：LG