张磊，刘彦辉，黄鑫炎
随着温室气体排放和全球变暖加剧，锂离子电池在交通电气化和能源低碳化的进程中发挥着日益重要的作用。它的应用范围从便携式电子设备和电动汽车进一步扩展至电网级的储能系统，能量和容量也持续增长。然而，锂离子电池能量密度的提升使其热稳定性不可避免地降低。电池热失控引发的火灾事故频发，给公共安全带来巨大的威胁。
两周前，一段关于电动汽车经过凸起地砖后瞬间起火的视频在网络上引发了热议。据官方回应，事故是由于地砖尖角在拖底碰撞过程中直接撕裂了电池底盘，刺穿了两颗电芯，导致电芯起火。完整视频显示，事故车辆在燃烧约25秒后火势自动熄灭，为车内人员争取了宝贵的安全撤离时间。遗憾的是，车辆的塑料部件后再次起火，最终导致车辆严重受损[2]。
这种由于尖锐物体侵入引发的电池起火现象在电池安全领域有相应的测试方法来评估，即“针刺测试”。电芯的针刺测试被公认为是最极端、最难通过的电池安全试验之一。由于其极端的破坏性，针刺测试结果会呈现很大的不确定性，可重复性差，甚至在测试过程中会发生难以预料的危险。全球范围内，针刺测试的标准定义各异。在早期的GB/T 31486-2015《电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法》中，针刺测试被列为强制标准执行。自2017年起，针刺测试不再作为动力电池安全测试的强制标准，在GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》中则删除了针刺测试的相关要求。
针刺“测试”（视频来源：Youtube）
探索安全、可重复且能够满足测试需求的针刺方法一直是学界研究的重点，包括锂离子电池模组在针刺测试下的温度响应 [3]，针刺深度、速度、位置和刺针直径对不同电量状态电池热失控的影响 [4]，并使用高速同步加速器X射线照相可视化了整个针刺和内部结构失效过程 [5]。
基于前人的研究，我们进一步改变了刺针的材质（金属、非金属、不同粗细），进行系列实验，记录了针刺过程中电池热失控的特征温度、特征时间、质量损失以及针头压力变化，分析了刺针规格和SOC对圆柱形电池热失控演化的耦合影响规律。本工作选取了3.5 Ah的镍钴铝酸锂电池为实验样品，刺针长度固定为20 mm，刺入的初始速度固定为10 mm/s。
研究发现，电池样品在SOC大于50%时更易发生热失控。在使用金属针的测试中，电池的热失控触发时间和最高温度对SOC的变化尤为敏感。这主要源于金属刺针在热失控过程中对热量积累的双重作用。一方面，金属刺针能够诱发内部短路并释放焦耳热，促进电池热量积累；另一方面，金属刺针也能导出部分热量，帮助电池散热。因此，本研究进一步计算了不同针刺参数在电池热失控过程中对热量累积的影响，分析了产热和散热的贡献。由此总结了针刺材料和电池SOC对电池热失控行为的综合作用。
受实验结果的启发，针刺测试可以根据需求适当考虑使用绝缘材料针进行。绝缘材料针的测试结果受电池SOC影响更小，重复性相对较好，在高SOC情况下表现得也更加安全。这项工作加深了对电池在外部冲击下安全性的理解，并为电池设计及其安全测试提供了新的见解，发表在《International Journal of Heat and Mass Transfer》。理大火灾安全实验室将继续深入研究，探索新的电池测试标准，提升电池热安全性能。
相关链接文献
张磊：香港理工大学博士生，研究方向为锂离子电池火灾安全。
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刘彦辉：香港理工大学博士生，研究领域涉及电池火灾安全。
查看刘彦辉个人网页
黄鑫炎 博士：香港理工大学副教授、博士生导师，研究领域包括基础燃烧科学和火灾安全应用。
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图文 | 张 磊
编辑 | 谢伟康
审核 | 黄鑫炎
