隨著鋰離子電池能量密度的提高，鋰離子電池的安全問題也逐漸引起人們的關(guān)注。在評估鋰離子電池安全性的各種濫用條件中，針刺是非?？量痰脑囼?yàn)之一，也是鋰離子電池安全測試的重點(diǎn)。近年來，對于由針刺引起內(nèi)短路、進(jìn)而引發(fā)熱失控的現(xiàn)象，人們進(jìn)行了大量的研究，包括測試條件、荷電態(tài)、正負(fù)極材料、隔膜、電解液等的影響、以及熱電耦合仿真等，對于針刺機(jī)理進(jìn)行了較為深入的探索，并為針刺安全性的改善提供了一些可供參考的數(shù)據(jù)。

小編通過引用網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn)，針對鋰離子電池針刺機(jī)理及安全性改善，從影響鋰離子電池針刺安全性的因素、提高鋰離子電池針刺安全性的方法及作用機(jī)理、鋰離子電池針刺引發(fā)熱失控的機(jī)理研究三個(gè)方面總結(jié)歸納了國內(nèi)外最近的研究進(jìn)展，梳理了針刺機(jī)理的研究思路，以期為鋰離子電池的安全設(shè)計(jì)提供參考。

1、影響鋰離子電池針刺安全性的因素

1.1電池容量

不同容量電池針刺的仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果均表明，隨著電池容量增大，其表面和針孔處溫度顯著升高。實(shí)測結(jié)果表明，容量2Ah和6Ah的LiCoO2電池對應(yīng)的針刺最高溫度分別為341.0℃、477.7℃。隨著容量提升，電池內(nèi)阻減小，內(nèi)短路電流增大，局部產(chǎn)生熱量增多，因此，溫升急劇增大，熱失控風(fēng)險(xiǎn)增大。

1.2荷電態(tài)

J.G.Wang等的研究表明，隨著SOC上升，針刺瞬間及針刺后一段時(shí)間的溫度顯著上升。0%SOC、50%SOC、75%SOC、100%SOC對應(yīng)的最高溫度分別是約50℃、70℃、112℃、115℃。這是因?yàn)殡S著荷電態(tài)增高，負(fù)極的嵌鋰程度增大，與電解液的反應(yīng)活性增大，同時(shí)正極脫鋰程度增大，熱穩(wěn)定性下降;另一方面，荷電態(tài)升高，電壓增大，內(nèi)短路電流增大，針刺熱失控風(fēng)險(xiǎn)較高。

1.3注液量

王磊等的研究表明，對于3Ah的LiCoO2電池，在一定范圍內(nèi)(≤標(biāo)準(zhǔn)注液量9.0g)，隨著注液量的增加，針刺過后，電池表面的溫度升高(最高溫度100℃)，但并未引起熱失控;而當(dāng)注液量超過標(biāo)準(zhǔn)注液量后，電池表面溫度持續(xù)升高，最后引發(fā)熱失控，出現(xiàn)劇烈燃爆現(xiàn)象，最高溫度超過300℃。

1.4材料組成

1.4.1正極材料

正極材料對鋰離子電池的安全性影響顯著。不同正極材料的結(jié)構(gòu)有很大差別，熱穩(wěn)定性也存在巨大差異。D.Doughty等的研究表明，不同正極材料的18650電池ARC測試的熱失控溫度及自加熱速率有明顯差別。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的正極材料，如LiFePO4，對應(yīng)的電池?zé)崾Э販囟容^高(>400℃)，自加熱

速率較小。此外，可以通過對正極材料的包覆處理，降低正極材料與電解液的界面反應(yīng)活性，提高產(chǎn)熱起始溫度，降低產(chǎn)熱量。

1.4.2負(fù)極材料

通常認(rèn)為，正極材料的熱穩(wěn)定性決定了鋰離子電池的安全性。但D.Doughty等的研究發(fā)現(xiàn)，不同類型的負(fù)極材料，DSC放熱峰的位置和強(qiáng)度差異很大，如滿電態(tài)嵌鋰石墨在250℃左右有較強(qiáng)的放熱峰，而滿電態(tài)嵌鋰的硬碳和中間相碳微球在150~300℃則放熱峰較弱。因此，負(fù)極材料對鋰離子電池的安全性也有影響。

1.4.3電解液

電解液的溶劑類型、鋰鹽濃度、添加劑種類對產(chǎn)氣量及起始溫度有顯著影響。隨著鋰鹽濃度升高，產(chǎn)氣起始溫度降低(如LiPF6濃度從0.6mol/L提高到1.2mol/L，對應(yīng)的產(chǎn)氣起始溫度從200℃降低到160℃)，產(chǎn)氣量增加，熱失控風(fēng)險(xiǎn)增大。

1.4.4隔膜

E.Wang等的研究結(jié)果表明，隔膜的熔化溫度、熔化破膜溫度、閉孔溫度等對鋰離子電池的安全性有較大影響。如Al2O3涂覆、填充的PET隔膜(熔化破膜溫度分別為240℃、263℃)針刺安全性顯著優(yōu)于PE、PP、PP/PE/PP(熔化破膜溫度分別為140℃、170℃、164℃)。

1.5接觸電阻

R.Zhao等建立了接觸電阻的計(jì)算模型，其中，Rn為接觸電阻，單位為mΩ;A為針和電池的接觸面積，單位為mm2。接觸面積越小，則接觸電阻越大。仿真結(jié)果表明，隨著接觸電阻增大，針孔處產(chǎn)熱減少，電池在針刺時(shí)的較大溫升降低。

1.6針直徑

仿真結(jié)果表明，針刺時(shí)，隨著針直徑增大，短路電流增大、電壓下降速率加快。而實(shí)測結(jié)果表明，100%SOC下，直徑3mm的針造成的溫度最高(3mm、5mm、8mm對應(yīng)的最高溫度分別為122℃、95℃、95℃)。研究表明，針起到兩方面的作用，一是造成電池內(nèi)部的內(nèi)短路，較大直徑的針引起的短路面

積較大，短路電流較大，因此產(chǎn)熱較多;另一方面，針本身有一定散熱作用，隨著直徑增大，針散熱增強(qiáng)。通常情況下，針的散熱作用相對較弱。因此，一般來說，采用較細(xì)的針，鋰離子電池針刺熱失控風(fēng)險(xiǎn)較低。

1.7針刺速度

J.G.Wang等的研究表明，對1Ah的Li(NixCoyMnz)O2滿電態(tài)電池，用直徑5mm的鋼針，在20mm/s的速度下，10s內(nèi)溫度迅速升高至450℃后又急劇下降，隨后保持在100℃左右，未發(fā)生熱失控;在40mm/s的速度下，溫度持續(xù)上升至發(fā)生熱失控，最高溫度為538.7℃。針刺速度越快，針孔處的熱量來不及擴(kuò)散，發(fā)生熱失控的風(fēng)險(xiǎn)增大。