針刺實驗用于內(nèi)短路研究一直存在爭議，主要在于：（1）實驗重復(fù)性差；（2）不能很好控制短路形式，如Al箔-Cu箔、Al箔-負極、正極-負極、正極- Cu箔；（3）不能完全代表內(nèi)短路場景，如單層短路vs全刺穿短路等。作為經(jīng)典觸發(fā)電池內(nèi)短路方法之一，雖然國內(nèi)標準暫緩甚至要取消針刺這一測試項目，但針刺實驗在部分國際標準中還是予以保留的，且動力電池企業(yè)或多或少都會“偷偷”去做針刺實驗，看看電池失效的表現(xiàn)形式究竟如何。

Ahmed Abaza 2017年畢業(yè)于華威大學(xué)，博士期間就和捷豹路虎的電池研發(fā)工程師Ronny Genieser一起開展動力電池濫用安全研究，17年畢業(yè)后以高壓電池工程師加入捷豹路虎工作。Abaza博士期間研究重點關(guān)注針刺、外短路、過充，其博士論文在網(wǎng)上能找到，感興趣的朋友、特別是剛開始接觸動力電池安全研究的朋友可以去本文最后面的鏈接進行下載。本文擬結(jié)合Ahmed Abaza公開發(fā)表的一篇文章(Experimental study of internal and external short circuits of commercial automotive pouch lithium-ion cells, Journal of Energy Storage, 2018, 16: 211–217)及其博士論文，簡要介紹下其在針刺觸發(fā)內(nèi)短路實驗上取得的一些成果和結(jié)論。

亮點：

（1）   對比了銅針、鋼針和塑料針針刺實驗的結(jié)果；

（2）   對比分析了直徑3 mm和10 mm針針刺實驗結(jié)果；

（3）   針是主要的電流通路。

一．針刺觸發(fā)內(nèi)短路的機理

圖1. 針刺觸發(fā)內(nèi)短路原理示意圖。

如圖1所示，針刺觸發(fā)內(nèi)短路時，電流從電池內(nèi)部經(jīng)針從正極流向負極進行放電過程，短路電阻如公式（1）所示：

 R_s = R_nail + R_cnt      （1）

式中R_s為短路電阻，R_nail為針自身電阻，R_cnt為接觸電阻。

R_nail =ρL/A               （2）

式中ρ為針的電阻率，L為針的長度，A為真的橫截面積。

針刺后的歐姆熱功率為

P = I² *R_s                   （3）

式中P為歐姆熱功率，I為短路電流。

從以上公式不難看出，針刺實驗的最終結(jié)果不僅同針的材質(zhì)（ρ）、粗細（A）有關(guān)，還同接觸電阻和電芯的厚度（L）有關(guān)。針刺過程最復(fù)雜的地方在于針同電池內(nèi)部正負極極片接觸位置存在接觸電阻，且隨著針刺深度的變化和內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的進行，接觸電阻是動態(tài)變化的，從而導(dǎo)致針刺實驗的重復(fù)性相對較差。

二.針刺實驗裝置及所用電池

圖2.針刺實驗所用的針（左圖）及實驗裝置（右圖）。

表1.針刺實驗所用的電池信息。

表2.針刺實驗條件參數(shù)。

針刺實驗所用裝置、電池及相關(guān)參數(shù)如圖2、表1和表2所示。所用電池為15 Ah LMO-NMC疊片軟包電池，電池內(nèi)阻6 m?，針刺實驗前電池處于滿充態(tài)。具體LMO和NMC混合比例、正負極層數(shù)文中未給出。所用的針選用了三種材質(zhì)，分別為銅針、鋼針和塑料針。所用針直徑為3 mm和10 mm兩款，針刺速度為100 mm/s，針尖錐角60度。實驗溫度在16 ℃左右，低于常規(guī)的25 ℃。測試時軟包電池放置在熱箱（thermal box）內(nèi)，目的是保溫，避免實驗時電池同外界有過多熱交換。

三.針不同材質(zhì)對針刺結(jié)果的影響

圖3.三種不同材質(zhì)針針刺實驗電壓-時間關(guān)系曲線。

從圖3不難看出:(1)三種不同材質(zhì)的針得到的結(jié)果截然不同；(2)同樣材質(zhì)針重復(fù)十次實驗，結(jié)果可能存在很大偏差。從電壓曲線判斷，銅針針刺更容易導(dǎo)致電池發(fā)生嚴重內(nèi)短路，一個樣品不到2 h即完全放電；鋼針次之，16 h仍未完全放電；而塑料針針刺內(nèi)短路極微弱，甚至有的似乎觀察不到內(nèi)短路現(xiàn)象。以上結(jié)果證明：（1）針刺實驗結(jié)果確實同針的電導(dǎo)率有關(guān)；（2）針刺實驗中針是主要電流通路。針刺實驗的低重復(fù)性表明影響針刺實驗結(jié)果的不僅有針自身的電阻，接觸電阻也是極為重要的因素。而針刺過程接觸電阻難以測量，針的表面粗糙度、錐角、針刺過程電解液反應(yīng)產(chǎn)物都有可能對接觸電阻存在影響。

圖4.三種不同材質(zhì)針針刺電池表面接近針刺點位置的溫度變化。

圖4所示的電池表面接近針刺點位置的溫度結(jié)果與圖3相對應(yīng)。銅針可造成更嚴重的內(nèi)短路，觀察到的最高溫度在130 ℃左右；塑料針造成的內(nèi)短路極為微弱，溫度均低于50 ℃。電壓降速率越快，針刺點附近溫度越高。

四.針直徑不同對針刺結(jié)果的影響

圖5.直徑3 mm和10 mm針針刺實驗電壓-時間曲線。

如公式（2）所示，針的電阻同橫截面積呈反比關(guān)系，因此理論上不同直徑針針刺實驗得到的結(jié)果會存在差異。為此，作者研究了直徑3 mm和10 mm針針刺實驗的差異。根據(jù)公式（2），直徑3 mm針電阻幾乎是直徑10 mm針電阻的11倍。從圖5電壓曲線可見，確實大多數(shù)直徑10 mm針針刺的放電速率更快。但值得注意的是，直徑3 mm針和直徑10 mm針得到的結(jié)果部分存在重疊，即存在少數(shù)直徑3 mm針針刺放電速率反而更快的情況，作者認為該現(xiàn)象同接觸電阻有關(guān)，更進一步證明了接觸電阻的重要性和復(fù)雜性。

圖6.直徑3 mm和10 mm針針刺電池表面針刺點附近溫度。

從圖6電池表面針刺點附近溫度結(jié)果來看，多數(shù)情況下10 mm針針刺電池溫度高于直徑3 mm針針刺，該結(jié)果與圖5中的電壓曲線相一致。

五．針刺過程電池表面溫度分布

圖7.電池表面和針熱電偶分布。

作者對針刺過程電池表面溫度進行了詳細監(jiān)控，共10個溫度監(jiān)控點，8個監(jiān)控點位于電池主體表面，2個點分別是正負極Tab，具體如圖7所示。

圖8.針刺過程電池表面最高溫度及分布。

圖8所示是針刺過程電池表面最高溫度及分布。針刺過程最高溫度出現(xiàn)在針刺點附近（T7和T8），約125 ℃左右；最低溫度出現(xiàn)在正負極Tab（T9和T10），約80 ℃左右；其他對稱性位置溫度很接近，如T1和T4等。值得注意的是，正極Tab（Al，T10）溫度約高負極Tab（Cu,T9）4.25 ℃，作者認為是金屬Al電阻比Cu更高所致（注：純Cu電阻率為1.75×10^-8 ?/m，純Al電阻率為2.83×10^-8 ?/m；Cu導(dǎo)熱系數(shù)401 W/mK，Al導(dǎo)熱系數(shù)237 W/mK）。

圖9.以針刺點為中心、沿Tab方向針刺過程電池表面溫度梯度分布。

如圖9所示，以針刺點為中心，越靠近Tab方向溫差越低（T2-T1<T2-T3），而越遠離Tab方向溫差越高（T5-T4<T5-T6），該溫度梯度分布由短路電流流經(jīng)Tab所致。(清新電源)

文章信息：Experimental study of internal and external short circuits of commercial automotive pouch lithium-ion cells. Journal of Energy Storage, 2018, 16: 211–217.