摘要：

為明確針刺工況下鋰電池未觸發(fā)熱失控的失效機(jī)理， 開展了電池單體及電池模組的針刺試驗(yàn)及有限元仿真研究． 首先， 基于鋰電池生熱及傳熱理論明確了鋰電池產(chǎn)生熱失控的條件． 其次， 開展了鋰電池單體在不同針刺速度（5 mm/s、 25 mm/s）及不同針刺深度（10 mm、 13 mm）下的針刺試驗(yàn)． 試驗(yàn)結(jié)果表明： 針刺速度對電池單體的失效模式影響較小， 同時未刺穿的電池單體相較于其完全刺穿下?lián)碛懈鼊×业膲航岛透叩臏囟龋?基于此開展了電池模組針刺試驗(yàn)， 獲得了電池模組電壓失效形式及溫度傳播規(guī)律． 最后， 為驗(yàn)證上述針刺試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性， 針對13 mm完全刺穿深度工況， 分別對電池單體及電池模組開展了有限元仿真分析． 結(jié)果表明： 仿真工況下電池單體及電池模組的電壓及溫度變化趨勢與試驗(yàn)條件下的變化趨勢具有良好的一致性．

關(guān) 鍵 詞：

鋰電池； 針刺工況； 熱失控； 失效分析； 有限元仿真

中圖分類號：

U469.72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-9868（2024）12-0002-12

Failure Analysis of Lithium Battery without Triggering

Thermal Runaway under Acupuncture Condition

ZHAO Ying1， HAO Jibo1， YANG Jie1，

LUO Jinyan1， WANG Yangwei2， WANG Yueqiang3

1. College of Engineering and Technology， Southwest University， Chongqing 400715， China；

2. China National Key Laboratory of Science and Technology on Materials under Shock and Impact， "Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China；

3. Chongqing Changan Automobile Co. Ltd.， Chongqing 400021， China

Abstract：

To clarify failure mechanism of lithium battery without triggering thermal runaway under acupuncture condition， acupuncture tests and finite element analyses on battery cell and battery module were carried out． Firstly， conditions for thermal runaway of lithium battery were elucidated based on theory of heat generation and heat transfer． Secondly， acupuncture tests on lithium battery cell were investigated under different puncture speeds （5 mm/s， 25 mm/s） and various puncture depths （10 mm， 13 mm）． The results indicated that puncture speeds had little effect on failure mode of battery cell． Meanwhile， compared to the fully penetrated battery cell， unpenetrated battery cell possessed a sharper drop of voltage and higher temperature． Based on this， acupuncture test of battery module was carried out， and failure mode of voltage and propagation regularity of temperature were obtained． Finally， to verify the accuracy of above acupuncture test results， finite element analyses were carried out on battery cell and battery module under working condition of 13 mm complete puncture． The results indicated that voltage and temperature trends of battery cell and battery module under simulation condition were in good agreement with those under test condition．

Key words：

lithium battery； acupuncture test； thermal runaway； failure analysis； finite element analysis

“碳達(dá)峰、 碳中和”能源發(fā)展策略下， 電動汽車的使用被公認(rèn)為是最有效的解決方案之一［1］． 作為電動汽車的關(guān)鍵， 車用動力電池的性能對電動汽車的續(xù)航里程、 動力性能以及安全性能具有很大的影響． 鋰電池因其能量密度高、 使用壽命長、 充電速度快、 可回收利用等優(yōu)點(diǎn)， 已成為電動汽車首選的能源儲存方式［2］． 然而， 鋰電池高能量密度的特點(diǎn)也給其安全保障帶來了極大的挑戰(zhàn)， 針刺、 擠壓、 碰撞等各種機(jī)械載荷的作用易對其結(jié)構(gòu)造成破壞， 導(dǎo)致電池發(fā)生內(nèi)短路和外短路等故障， 降低其使用壽命， 甚至造成電池燃燒、 爆炸等災(zāi)害［3-4］．

試驗(yàn)方法作為獲取不同載荷下鋰電池失效響應(yīng)規(guī)律最直接的方法， 被研究人員廣泛采用［5-6］． 張濤等［7］開展了鋰電池?cái)D壓試驗(yàn)研究， 獲取了鋰電池在平面壓縮、 局部壓痕及三點(diǎn)彎曲下的“力—電—熱”響應(yīng)行為． Zheng等［8］開展了不同沖擊速率下電池單體的動態(tài)沖擊試驗(yàn)， 研究表明應(yīng)變率對電池單體的應(yīng)力—應(yīng)變影響顯著， 且動態(tài)沖擊下電池單體的應(yīng)力—應(yīng)變曲線明顯高于準(zhǔn)靜態(tài)條件下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線． 相較于擠壓及動態(tài)沖擊的試驗(yàn)方法， 電池針刺試驗(yàn)所產(chǎn)生的電池失效形式更為劇烈， 造成的危害也更為嚴(yán)重［9］． 金標(biāo)等［10］開展了電池單體的針刺試驗(yàn)， 揭示了電池內(nèi)短路引發(fā)熱失控的熱特征和電化學(xué)特征． 王海斌等［11］對不同荷電狀態(tài)的鋰電池進(jìn)行了針刺熱失控試驗(yàn)， 結(jié)果表明鋰電池的荷電狀態(tài)（State of Charge， SOC）越高， 則各時刻下測溫點(diǎn)的溫度更高， 電池電壓下降速率更快， 熱失控現(xiàn)象更劇烈． 此外， 電池單體在針刺試驗(yàn)下的失效現(xiàn)象會受到鋼針材質(zhì)、 針刺速度、 針刺深度、 電池電化學(xué)成分、 電池容量等因素的影響［12-14］．

當(dāng)鋰電池在針刺工況下觸發(fā)內(nèi)短路時， 電池內(nèi)部溫度升高， 引發(fā)一系列鏈?zhǔn)椒磻?yīng)， 進(jìn)而造成電池?zé)崾Э氐挠|發(fā)， 鋰電池?zé)崾Э貢斐呻姵嘏蛎洝?電解液泄漏、 冒煙甚至著火等危害［15］． 然而， 鋰電池在針刺試驗(yàn)條件下存在未觸發(fā)熱失控的情況， 鋰電池不會產(chǎn)生燃燒、 冒煙等劇烈現(xiàn)象， 但鋰電池仍會遭受到不可逆?zhèn)Γ?進(jìn)而導(dǎo)致電池模組失效［16］． 具體地， 針刺將導(dǎo)致鋰電池的充放電能力及循環(huán)壽命降低， 造成電解液泄漏從而危害駕乘人員及環(huán)境安全， 削弱電池結(jié)構(gòu)并增加電池包熱失控風(fēng)險， 使電池局部溫度升高影響周圍電氣元件及材料的性能等［17-19］． 目前， 針刺試驗(yàn)條件下電池單體及電池模組未觸發(fā)熱失控的失效形式以及熱量傳播機(jī)制等研究相對較少， 然而上述情況也可能成為事故的根源． 因此， 明確針刺工況下鋰電池未觸發(fā)熱失控的失效形式與傳播機(jī)理同樣重要．

為此， 本文綜合考慮針刺工況下電池未觸發(fā)熱失控的情況， 首先分析鋰電池針刺失效的機(jī)理， 闡述鋰電池?zé)崾Э赜|發(fā)的條件． 其次開展不同針刺速度、 不同針刺深度下鋰電池單體的針刺試驗(yàn)， 獲取在針刺試驗(yàn)工況下鋰電池單體未觸發(fā)熱失控的失效模式， 以及不同針刺速度、 不同針刺深度對電池單體失效模式的影響． 基于此， 開展電池模組的針刺試驗(yàn)， 明確在針刺工況下電池模組未觸發(fā)熱失控的電壓變化規(guī)律及溫度傳播規(guī)律． 最后， 開展電池單體及電池模組在針刺工況下的有限元仿真分析， 以驗(yàn)證電池單體及電池模組針刺試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和適用性．

1 鋰電池針刺失效機(jī)理及試驗(yàn)方法

1.1 鋰電池針刺失效機(jī)理

鋰電池正常充放電的工作原理如圖1a所示， 電池內(nèi)部鋰離子和自由電子分別從電解質(zhì)溶液中脫離， 鋰離子可穿過隔膜在正負(fù)極之間轉(zhuǎn)移， 自由電子因無法穿越隔膜， 從而通過外接導(dǎo)線在電池正負(fù)極之間轉(zhuǎn)移， 從而形成電流． 如圖1b所示， 當(dāng)鋼針穿透電池時， 電池隔膜發(fā)生破壞收縮， 隔膜喪失阻隔的作用， 自由電子穿過隔膜以高密度電流的形式通過短路位置， 從而迅速從負(fù)極集流體流向正極集流體． 此時， 電池急劇放電， 開路電壓急劇下降． 鋼針與電池正負(fù)極接觸形成較大的接觸電阻， 從而在鋼針處產(chǎn)生大量的歐姆熱． 刺穿過程中， 最高溫度始終出現(xiàn)在鋼針位置， 熱量從鋼針位置向周圍不斷擴(kuò)展和傳播．

當(dāng)鋰電池處于正常工作條件下時， 鋰電池的產(chǎn)熱量Q包含反應(yīng)熱Qr、 極化熱Qp與鋰電池內(nèi)阻產(chǎn)生的焦耳熱Qj：

Q=Qr+Qp+Qj（1）

然而， 當(dāng)針刺刺穿電池單體后， 會在電池單體內(nèi)部產(chǎn)生短路區(qū)域并發(fā)生一系列的鏈?zhǔn)礁狈磻?yīng)， 主要包括SEI膜的分解反應(yīng)、 陽極與電解質(zhì)的反應(yīng)、 陰極與電解質(zhì)的反應(yīng)、 電解質(zhì)自身的分解反應(yīng)， 以及有機(jī)溶劑和可燃?xì)怏w的燃燒， 進(jìn)而導(dǎo)致鋰電池產(chǎn)熱量的增加［20］． 此時， 由于電池?zé)崾Э氐臒崃縌tr遠(yuǎn)大于鋰電池反應(yīng)熱Qr及極化熱Qp， 鋰電池的產(chǎn)熱量Q也可以描述為：

Q=Qj+Qtr（2）

同時， 鋰電池在應(yīng)用過程中伴隨著熱量的傳遞， 鋰電池因熱量傳遞所散發(fā)的熱量QD主要包含熱傳導(dǎo)Qcond、 熱對流Qconv與熱輻射Qrad 3種：

QD=Qcond+Qconv+Qrad（3）

鋰電池?zé)崾Э氐逆準(zhǔn)椒磻?yīng)需要電池具備相應(yīng)的觸發(fā)溫度， 當(dāng)電池本身能量不足或電池針刺后的產(chǎn)熱量低于電池?zé)崃總鬟f過程散發(fā)的熱量時， 并不會持續(xù)加劇電池內(nèi)部熱失控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)， 因此不會產(chǎn)生劇烈的熱失控現(xiàn)象［21］：

Q≤QD未觸發(fā)熱失控反應(yīng)

Q＞QD熱失控反應(yīng)加劇

（4）

1.2 電池及試驗(yàn)裝置規(guī)格

本文以12 Ah三元鋰電池為研究對象， 電池單體的規(guī)格及基本參數(shù)如表1所示， 電池型號為INP1369130A， 正極材料為NCM， 負(fù)極材料為石墨． 此外， 為獲取針刺工況下電池模組中的1塊電池單體在針刺失效后的溫度及電壓傳播規(guī)律， 將6塊電池單體編為電池單體#1至電池單體#6， 并組成如圖2所示的電池模組， 其中電池模組中的電池單體緊挨排列， 中間無間隙及阻隔材料．

針刺試驗(yàn)前對電池單體充電并開展電壓一致性測試和驗(yàn)證， 防止電池基礎(chǔ)性能不一致對試驗(yàn)帶來的影響． 利用固定裝置固定電池單體或電池模組， 并將固定裝置安裝在擠壓針刺試驗(yàn)機(jī)內(nèi)． 同時， 采用K型熱電偶測試電池表面的溫度， 并利用多通道采集器記錄電池表面溫度及電池電壓數(shù)據(jù)． 其中， 電池充放電及針刺試驗(yàn)所用儀器型號及其參數(shù)規(guī)格如表2所示．

1.3 電池單體及電池模組針刺試驗(yàn)方法

為了保證針刺試驗(yàn)所使用電池單體的電壓一致并保持100% SOC， 采用如圖3所示的電池充放電設(shè)備將試驗(yàn)用的9塊電池單體（3塊用于電池單體針刺試驗(yàn)， 6塊用于電池模組針刺試驗(yàn)）按先恒流再恒壓的方式充電至100% SOC， 并依據(jù)《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》（GB/T 31485—2015）的試驗(yàn)要求［22］， 依次對電池單體及電池模組開展針刺試驗(yàn)．

針刺試驗(yàn)采用一根直徑為6 mm、 尖角為45°的耐高溫鋼針， 電腦控制針刺試驗(yàn)機(jī)分別以5 mm/s及25 mm/s的速度從垂直于電池單體極板的方向刺向電池， 刺入深度分別為10 mm（約0.75倍的電池厚度）及13 mm（完全刺穿）． 鋼針刺入電池后， 在電池內(nèi)保留3 600 s． 針刺過程中利用多通道采集器實(shí)時采集并監(jiān)測電池電壓及溫度的變化， 同時利用高速攝像機(jī)實(shí)時記錄電池單體在針刺過程中是否會產(chǎn)生冒煙、 燃燒和爆炸的現(xiàn)象． 其中， 電池單體針刺試驗(yàn)過程中K型熱電偶位置及針刺位置如圖4a所示， 針刺位置位于電池的幾何中心， K型熱電偶分別測量電池正極、 負(fù)極、 針刺位置及電池底部的溫度， 并分別記錄為T1、 T2、 T3、 T4．

此外， 為獲取電池模組在針刺試驗(yàn)未觸發(fā)熱失控條件下的失效形式， 將上述鋼針以5 mm/s的速度刺穿#1號電池， 并停留3 600 s， 觀察并記錄電池模組內(nèi)各電池單體的電壓、 溫度的變化， 同時觀測電池模組燃燒、 爆炸的情況． 相似地， 電池模組針刺試驗(yàn)過程中K型熱電偶位置及針刺位置如圖4b所示， 針刺位置位于#1號電池的幾何中心， K型熱電偶分別測量#1至#6號電池單體針刺位置的溫度并分別記錄為T#1、 T#2、 T#3、 T#4、 T#5、 T#6．

2 針刺工況下電池單體及電池模組未發(fā)生熱失控的失效分析

2.1 針刺工況下電池單體未發(fā)生熱失控的失效分析

依據(jù)1.3節(jié)中電池單體針刺試驗(yàn)方法開展了3塊電池單體的針刺試驗(yàn)． 其中， 第1塊電池單體的針刺速度為5 mm/s、 針刺深度為10 mm（約0.75倍的電池厚度）； 第2塊電池單體的針刺速度為5 mm/s、 針刺深度為13 mm（完全刺穿）； 第3塊電池單體的針刺速度為25 mm/s， 針刺深度為13 mm（完全刺穿）． 如圖5所示， 在不同針刺速度及不同針刺深度下3塊電池的試驗(yàn)現(xiàn)象基本一致． 在針刺刺入電池后， 電池單體出現(xiàn)輕微的膨脹現(xiàn)象， 但在開始針刺至結(jié)束試驗(yàn)的時間內(nèi)， 未出現(xiàn)明顯的煙霧、 火花以及大規(guī)模的熱失控現(xiàn)象． 該試驗(yàn)現(xiàn)象表明電池單體在不同針刺速度和針刺深度下， 發(fā)生了內(nèi)部短路， 但并未產(chǎn)生明顯熱失控現(xiàn)象．

為了更深入地獲取針刺試驗(yàn)條件下電池單體未觸發(fā)熱失控的電壓及溫度變化規(guī)律， 獲取了如圖6所示的針刺工況下電池單體電壓及溫度隨時間變化的曲線． 如圖6a所示， 第1塊電池單體在針刺瞬間， 電池的電壓由4 V快速下降至3.52 V， 電壓略有回升后繼續(xù)下降并最終在1 800 s時降低至0 V， 整個針刺過程中， 電壓下降速率由慢至快再到慢． 同理， 如圖6b、 6c所示， 第2塊及第3塊電池單體針刺后的電壓同樣具備短暫的下降， 恢復(fù)后降低至接近于0 V． 3塊電池電壓在針刺后并未瞬間減小至0 V， 是由于鋼針刺入電池單體后， 產(chǎn)生內(nèi)短路區(qū)域， 造成電池內(nèi)部歐姆內(nèi)阻增大， 從而減緩了電池單體失效后的放電速率．

從3塊電池單體的溫度隨時間的變化可以得出， 3塊電池單體的溫度在針刺后的變化趨勢基本一致， 3塊電池單體各測量點(diǎn)的溫度均保持著先迅速增大至最高溫度， 隨后緩慢下降的趨勢， 且溫度開始上升的時刻與電池電壓開始下降的時刻保持一致． 同時， 位于針刺位置附近的測溫點(diǎn)T3溫度最高， 電池正負(fù)極附近的溫度T1、 T2具備相近的溫度值， 電池底部的測溫點(diǎn)T4溫度最低． 電池單體在被鋼針刺入后， 在針刺位置產(chǎn)生內(nèi)短路區(qū)域， 產(chǎn)生大量的副反應(yīng)熱使得電池針刺位置處溫度急劇上升． 隨后， 該熱量向著電池上方及下方傳遞， 使電池正負(fù)極處的溫度及電池底部的溫度升高．

為了明確不同針刺速度、 不同針刺深度對電池單體電壓及溫度的影響， 對比獲得了3塊電池單體的壓降時間、 達(dá)到最高溫度的時間及各測溫點(diǎn)的最高溫度， 如表3所示． 在其他試驗(yàn)條件相同時， 未刺穿的電池單體1相較于完全刺穿的電池單體2具備更短的壓降時間和溫升時間． 同時， 電池單體1在針刺位置T3處的最高溫度為239.8 ℃， 明顯高于電池單體2在相同位置的91.6 ℃， 電池單體1在其他測量位置的溫度同樣均高于電池單體2的溫度． 鋼針在刺入電池單體1內(nèi)部時， 產(chǎn)生內(nèi)短路區(qū)域， 使得電芯內(nèi)部溫度升高， 電芯內(nèi)部發(fā)生副反應(yīng)產(chǎn)生氣體， 而未刺穿的電池單體內(nèi)部氣體無法及時排除， 從而使得內(nèi)部副反應(yīng)加劇， 溫度升高． 因此， 刺穿深度對電池單體的電壓及溫度有明顯的影響， 未刺穿的電池單體相較于完全刺穿下?lián)碛懈鼊×业膲航岛透叩臏囟龋?/p>

同理， 在其他試驗(yàn)條件相同時， 相較于電池單體2， 具備較高針刺速度的電池單體3在整個針刺過程中具備相對較高的溫度、 更長的升溫時間和壓降時間． 因此， 相較于針刺深度， 針刺速度對電池針刺下的影響相對較小， 且較高的針刺速度會提升電池未發(fā)生熱失控下的最高溫度， 但會相對增加電池的壓降時間和升溫時間．

2.2 針刺工況下電池模組未發(fā)生熱失控的失效分析

為了獲取針刺工況下電池模組未發(fā)生熱失控時的電壓變化及溫度傳播規(guī)律， 依據(jù)1.3節(jié)中電池模組針刺試驗(yàn)方法開展了電池模組的針刺試驗(yàn)． 試驗(yàn)前、 試驗(yàn)中及試驗(yàn)后電池模組的濫用現(xiàn)象演變過程如圖7所示， 電池單體#1被刺穿后， 開始膨脹并通過針刺位置向外排氣， 隨著試驗(yàn)過程的深入， 膨脹程度逐漸減緩． 電池模組的針刺試驗(yàn)與電池單體針刺試驗(yàn)現(xiàn)象相似， 在開始針刺至結(jié)束試驗(yàn)的時間內(nèi)， 未出現(xiàn)明顯的煙霧、 火花以及大規(guī)模的熱失控現(xiàn)象， 僅在針刺刺穿的電池單體#1上出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象， 電池單體#2至電池單體#6均未出現(xiàn)明顯的現(xiàn)象．

為了明確針刺工況下電池模組內(nèi)未觸發(fā)熱失控時各電池單體電壓變化規(guī)律及熱量傳遞規(guī)律， 獲取了如圖8所示的針刺試驗(yàn)下電池模組中各電池單體的電壓及溫度的變化曲線． 其中， 電池單體#1在針刺后出現(xiàn)了與電池單體針刺試驗(yàn)下相同的電壓迅速下降后回彈， 并最終緩慢降低至0 V的現(xiàn)象， 而電池單體#2至電池單體#6在整個過程中的電壓并未出現(xiàn)波動， 證明在針刺過程中電池單體#2至電池單體#6并未發(fā)生失效． 同時， 電池單體#1在針刺后溫度最先上升并達(dá)到最高溫度95.5 ℃， 隨后溫度逐漸降低并恢復(fù)至室溫． 電池單體#2在電池單體#1后迅速升溫， 最高溫度達(dá)到了112.8 ℃， 電池單體#2的測溫點(diǎn)位于電池單體#2與電池單體#1之間， 因此電池單體#2具備更快的溫升速度． 由于電池單體#2的正面及背面緊貼電池單體#1及電池單體#3， 電池單體#2具有相對較小的散熱面積， 因此導(dǎo)致電池單體#2具備更高的溫度． 此外， 電池單體#3至電池單體#6在試驗(yàn)過程中溫度開始上升的時間依次增加， 且越遠(yuǎn)離電池單體#1的電池具備更小的最高溫度． 電池單體在針刺未發(fā)生熱失控的條件下， 并不會導(dǎo)致模組中其他電池單體熱失控的發(fā)生， 但該電池單體失效后會產(chǎn)生大量的歐姆熱， 熱量沿著電池模組方向傳遞， 易導(dǎo)致相鄰電芯溫度升高， 存在潛在的熱失控風(fēng)險．

3 針刺工況下電池單體及電池模組有限元仿真驗(yàn)證

3.1 電池單體及電池模組有限元模型建立

為了證明上述試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實(shí)性， 考慮到電池單體針刺速度對電池單體未發(fā)生熱失控下的失效形式影響較小， 選擇上述電池單體針刺試驗(yàn)中的電池單體2（針刺速度5 mm/s及針刺深度13 mm）以及上述針刺試驗(yàn)的電池模組作為有限元仿真分析的研究對象． 采用ANSYS/Fluent軟件獲取電池單體及電池模組針刺工況下電池溫度及電壓的變化， 利用Meshing模塊建立電池單體及電池模組的有限元模型， 電池參數(shù)與材料屬性與表1保持一致． 面網(wǎng)格及體網(wǎng)格尺寸定義為2.5 mm， 電池單體及電池模組的網(wǎng)格最小正交質(zhì)量分別為0.21及0.20， 均大于0.15的要求， 表明該網(wǎng)格質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求． 模型區(qū)域僅包含固體域， 建立的電池單體及電池模組的有限元模型如圖9所示．

采用ANSYS/Fluent的MSMD模型和Newman， Tiedemann， Gu， and Kim （NTGK）模型模擬電池模塊內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)和內(nèi)短路反應(yīng)， 在電池模型中輸入電池電壓、 容量等參數(shù)， 采用四方程動力學(xué)模型模擬內(nèi)短路的放熱過程， 在四方程動力學(xué)模型中輸入電池活性材料化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)． 其中， 電池活性材料化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)如表4所示［23］． 開啟能量方程， 求解器類型選擇瞬態(tài)， 定義電池間的散熱方式為空氣對流散熱， 換熱系數(shù)為5 W/m2·K， 設(shè)置環(huán)境溫度為300 K． 采用模擬電池內(nèi)部短路區(qū)域的模塊模擬電池單體及電池模組的針刺情況， 短路區(qū)域?yàn)殡姵刂行奈恢茫?短路深度為刺穿深度． 最后， 輸出模塊設(shè)定為輸出電池溫度及電池電壓隨時間變化的曲線．

3.2 電池單體及電池模組有限元仿真結(jié)果

在電池單體及電池模組有限元模型中插入圓柱體區(qū)域模擬鋼針刺入電池的過程， 獲取了電池單體及電池模組針刺工況下的有限元仿真結(jié)果， 如圖10所示．

如圖10a所示， 鋼針刺入電池單體后， 刺入位置中心溫度最高， 并逐漸向電池上方及下方傳播． 同時， 可觀察獲得有限元仿真及試驗(yàn)下的溫度—時間曲線整體變化趨勢基本一致， 電池單體達(dá)到最高溫度的時間接近， 有限元仿真下電池單體的最高溫度105.1 ℃略高于試驗(yàn)下的91.6 ℃， 主要是因?yàn)樵囼?yàn)時測溫的K型熱電偶位置與溫度最高點(diǎn)的位置之間存在差異． 同時， 如圖10b所示， 有限元仿真中并未模擬出現(xiàn)“電壓回彈”現(xiàn)象， 但有限元仿真下電池單體的電壓變化趨勢與試驗(yàn)下的變化趨勢基本一致． 同理， 在有限元模擬電池模組針刺工況下， 僅存在電池單體#1電壓下降明顯的現(xiàn)象． 并且， 如圖10c、 10d所示， 有限元仿真下電池單體#1的電壓—時間曲線與溫度—時間曲線均與試驗(yàn)條件下具備較好的一致性． 綜上所述， 通過有限元仿真方法獲取的電池單體及電池模組在針刺工況下的電壓及溫度與試驗(yàn)條件下具備一致的變化趨勢， 證明了上述試驗(yàn)的準(zhǔn)確性．

4 結(jié)論

為獲取針刺工況下電池未觸發(fā)熱失控的失效機(jī)理， 本文對鋰電池單體及其電池模組開展了針刺試驗(yàn)及有限元仿真研究， 得出了以下結(jié)論：

1） 開展了鋰電池單體在不同針刺速度及針刺深度下的針刺試驗(yàn)， 試驗(yàn)過程中3塊電池單體均發(fā)生了內(nèi)部的短路， 但未出現(xiàn)明顯的熱失控現(xiàn)象． 3塊電池單體的電壓均出現(xiàn)了快速下降、 略有回升、 繼續(xù)下降至0 V的3個階段， 整個過程中電壓下降速率由慢至快再到慢． 同時， 3塊電池單體的溫度均保持著先迅速增大至最高溫度后緩慢降低的趨勢， 且靠近針刺位置的測溫點(diǎn)具備更高的溫度．

2） 未刺穿的電池單體的最高溫度為239.8 ℃， 遠(yuǎn)高于刺穿下電池單體的91.6 ℃， 且未刺穿的電池單體相較于其完全刺穿下具備更快的壓降和溫升速率． 相較于針刺深度， 針刺速度對電池針刺下的影響相對較小， 且較高的針刺速度會提升針刺工況下電池未熱失控時的最高溫度， 但會相對增加電池的壓降時間和升溫時間．

3） 電池模組的針刺試驗(yàn)同樣未出現(xiàn)明顯的熱失控現(xiàn)象， 針刺刺穿的電池單體#1上出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象以及電壓下降， 而針刺過程中電池單體#2至電池單體#6并未發(fā)生失效． 電池單體#2的最高溫度為112.8 ℃， 高于電池單體#1的95.5 ℃， 而電池單體#3至電池單體#6在試驗(yàn)過程中溫度開始上升的時間依次增加， 且越遠(yuǎn)離電池單體#1的電池具備更小的最高溫度．

4） 通過有限元仿真方法獲取的電池單體及電池模組在針刺工況下的電壓及溫度變化趨勢與試驗(yàn)條件下的變化趨勢具有良好的一致性， 證明了上述試驗(yàn)的準(zhǔn)確性． 本文為其他機(jī)械濫用工況下鋰電池未觸發(fā)熱失控的失效分析提供了理論和數(shù)據(jù)支持．

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責(zé)任編輯 柳劍

崔玉潔