關(guān)于動力鋰電池而言安全是最重要的目標(biāo)，安全的地位甚至要高于能量密度和循環(huán)壽命等指標(biāo)，為了保證動力鋰電池在使用中的安全性，安全試驗是必不可少的，關(guān)于動力鋰電池而言，擠壓、針刺測試是常見的機械濫用測試。針刺試驗關(guān)于鋰離子電池而言通常是最為嚴(yán)酷的測試，在針刺導(dǎo)致短路的瞬間整個電池的電量開始通過短路點開始釋放，導(dǎo)致短路點的電流密度非常大，溫度快速升高，最終導(dǎo)致熱失控。

我們之前關(guān)于鋰離子電池在針刺試驗中的描述僅僅是是否起火、爆炸，電池外表最高溫度等指標(biāo)，由于鋰離子電池的密封結(jié)構(gòu)，使得我們關(guān)于針刺過程中電池內(nèi)部的反應(yīng)觀測變得困難重重。倫敦大學(xué)學(xué)院的DonalP.Finegan（第一作者）和ThomasM.M.Heenan（通訊作者）等人通過對針刺用的金屬針進行改造和高速X射線拍攝的方法對針刺試驗過程中鋰離子電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化和溫度變化進行了跟蹤，研究表明針刺的位置和方向都會對針刺實驗的結(jié)果出現(xiàn)顯著的影響。

試驗中采用的金屬針的結(jié)構(gòu)如下圖所示，針的總長度為60mm，外徑為4mm，內(nèi)徑為2mm，并采用了如下圖b所示的針頭，然后將直徑為0.5mm的K型熱電偶插入到上述的針內(nèi)部空腔，K型熱電偶的測試溫度為-100℃到800℃，能夠基本覆蓋安全測試中電池溫度范圍。

DonalP.Finegan以18650電池作為研究目標(biāo)，采用上述的智能鋼針分別從四個方向?qū)?8650電池進行了測試：位置1，從水平方向電池中的中間位置；位置2，垂直方向電池底部偏心位置；位置3，水平位置靠近電池頂部的位置；位置4，垂直方向電池的頂部偏心位置。

（注：圖中電池僅為演示針刺位置，非實驗所用電池）

下圖為不同位置進行針刺實驗室針尖位置和電池表面溫度的變化曲線，從下圖中的熱成像圖片中能夠看到電池溫度最高的點位于鋼針周圍的位置，同時針刺位置也會對電池內(nèi)部和表面的溫度出現(xiàn)非常大的影響，從圖中能夠看到，當(dāng)鋼針從位置2和4穿刺時電池的內(nèi)部和表面溫度都是最高的，電池內(nèi)部的最高溫度達(dá)到了900℃以上（K型熱電偶最高使用溫度為800℃）。而從位置3進行穿刺時，電池內(nèi)部的溫度最低，并且很快下降到了與電池表面相同的溫度，這重要是因為鋼針發(fā)生了一部分形變，并且最后鋼針到達(dá)了卷芯與上蓋之間的空腔，從而減緩了電池的熱失控。

從下圖我們還能夠注意到假如針刺的位置不同，那么電池表面出現(xiàn)最高溫度的位置也會有所差別，假如我們從位置2穿刺，電池表面最高溫度的點出現(xiàn)在電池的上蓋位置，而假如從位置1進行穿刺的話，那么電池表面的最高溫度則會出現(xiàn)在電池的底部位置，這表明針刺實驗中我們要根據(jù)針刺的位置選擇合適的位置測試電池表面的最高溫度。

位置1

首先我們來看一下假如從水平方向電池中間的位置進行穿刺，電池的整個熱失控過程是怎么樣。從下圖能夠注意到，在鋼針刺入到電池內(nèi)部后，熱量首先從鋼針邊緣與極片接觸的部分開始出現(xiàn)，隨著溫度的升高，活性物質(zhì)開始發(fā)生分解，從而迅速引發(fā)了熱失控。從下圖中1.906s處的照片能夠看到此時內(nèi)層的電極開始出現(xiàn)輻射狀的裂紋，裂紋的出現(xiàn)會進一步新增正負(fù)極之間的短路面積從而減少局部的電流密度，從而使得電池的內(nèi)部的最高溫度有所下降。從這里不難看出在針刺的初期，由于局部電流密度非常大，因此溫度很高，此時鋰離子電池?zé)崾Э氐乃俣确浅？?。在針刺實?.6545s后18650電池上蓋破裂，大量的氣體和活性物質(zhì)帶著大量的熱量從上蓋的位置噴出，這也是造成靠近電池上蓋位置的電池表面溫度最高的原因之一。

位置2

接下來我們看一下假如從位置2（垂直方向，電池底部偏心位置）進行針刺效果是怎么樣的，從下圖中能夠看到在鋼針剛剛插入的時候由于鋼針是沿著極片的方向運行，因此電池并沒有發(fā)生熱失控，直到1.9075s后電池才發(fā)生了明顯的熱失控的現(xiàn)象，隨著電池內(nèi)部的壓力的升高電池的底部發(fā)生了鼓起的現(xiàn)象，在內(nèi)部的壓力的用途下也導(dǎo)致了電芯的位置向著電池上蓋的方向移動，在后續(xù)的電池噴發(fā)中氣體裹挾著從極片上掉下的活性物質(zhì)從電池的上蓋噴出。因此，為了防止電池內(nèi)部積聚過大的壓力，導(dǎo)致爆炸，我們可以在電池的底部新增泄壓裝置，及時將電池內(nèi)部積聚的壓力釋放掉。

位置3

接下來我們看一下假如從位置3（水平位置靠近電池頂部的位置）處進行針刺會怎么樣，從圖中能夠看到隨著鋼針的刺入，鋼針的兩側(cè)出現(xiàn)了不同的壓力，這是因為電芯在靠近上蓋的位置有更多的空間因而更容易移動，從而將積累的應(yīng)力釋放，而在靠近底部的方向上電芯難以移動，因此積累了較大的應(yīng)力，這最終導(dǎo)致鋼針向著應(yīng)力更小的電池上蓋方向發(fā)生了偏移，鋼針的頂部到達(dá)了沒有電芯的上蓋位置，這也導(dǎo)致了最終測得的電池內(nèi)部最高溫度偏低。由于針刺的位置靠近上蓋的位置，因此熱失控中出現(xiàn)的壓力更容易釋放。

位置4

最后我們再來看一下假如從位置4（垂直方向電池的頂部偏心位置）進行穿刺結(jié)果是怎么樣，由于從垂直方向穿刺時只會引起少數(shù)幾層電極之間發(fā)生短路，因此局部電流密度較大，短路點的溫度達(dá)到了920℃以上，我們一般認(rèn)為這會造成更為嚴(yán)重的熱失控，但是從本次實驗中能夠看到從水平方向刺入時盡管電池的溫度較低，但是熱失控速率會更快，這表明熱失控擴散重要是受到熱量在電極層之間的擴散速度的影響，而不是短路點的溫度的影響。同時由于位置4更靠近上蓋，因此電池內(nèi)部的壓力很快就通過上蓋進行了釋放，因此防止了電池內(nèi)部積累過高的壓力，導(dǎo)致電池發(fā)生爆炸。

DonalP.Finegan的工作表明針刺的位置和方向都對18650電池的熱失控行為有非常重要的影響，例如雖然在垂直方向進行穿刺時電池內(nèi)部的溫度最高，但是其熱失控擴散的速率卻比從水平方向上穿刺要更慢一些，這表明熱失控的擴散速度重要受到熱量在電極層之間的傳遞速度的影響，而不是局部短路點溫度的高低。