关于锂离子软包电池因钉子穿刺引发的热失控危险性的研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Investigation on the nail penetration induced thermal runaway hazards of lithium-ion pouch batteries

　　

李文龙|李玉轩|刘倩|李凯轩|朱晓青|徐超

摘要

机械穿刺是导致电池及其pack失效的重要原因之一。为了探究电池荷电状态（SOC）、穿刺钉材料属性及直径对锂离子软包电池热失控风险的影响，我们对不同SOC值的多个锂离子软包电池进行了穿刺测试。测试过程中记录了电池电压、表面温度以及视频和热成像数据。SOC对电池热失控风险的影响主要体现在：在高容量和高电压状态下，电池更容易发生热失控。较大的穿刺钉直径会在更大范围内引发短路，从而导致更严重的热失控现象；然而，随着穿刺钉直径的增加，其散热效果也会增强，这两种因素之间存在相互制约的关系。就穿刺钉材料属性而言，电导率和热导率在决定电池热失控行为方面起着同等重要的作用。穿刺钉材料主要影响内部短路发生后电极层之间的电导率，以及短路点附近的散热情况。陶瓷钉具有较低的热导率和电导率，而钨钢钉则具有较高的电导率和较强的散热能力。此外，我们选取了五个与危险程度正相关的参数（最高温度、产生的热量、质量损失率、平均温度变化率以及电池膨胀率的最大值）来构建安全风险图谱。同时，引入了危险指数（H因子）作为综合评估方法，通过多维参数的加权积分来量化热失控风险。当SOC为100%时，H因子达到最大值30.54；而当SOC≤25%时，H因子降至2以下，这从定量上证实了SOC在穿刺引起的热失控风险中的主导作用。这使得我们能够对不同工作条件下的机械滥用风险进行定量比较分析。我们希望这项研究能为电池安全性的定量评估提供更多支持。