钜大LARGE | 点击量：869次 | 2021年05月27日
圆柱锂电防爆阀在热失控中是如何工作的？
热失控是锂离子电池最严重的安全事故，储存在锂离子电池内部的电能和化学能在短时间内大量释放，使得锂离子电池内部的温度甚至能够达到900℃以上，同时热失控中电解液、活性物质分解出现的大量气体会导致电池内部的压力急剧升高，甚至引起锂离子电池的爆炸。为了保证在锂离子电池的安全性，通常我们会在电池壳上设计一个防爆阀，在压力过高时能够及时被破坏，释放电池内部的压力，防止热失控中电池发生爆炸。
关于18650电池而言，防爆阀设计在电池的上盖之中，防爆阀还兼具了断路器的功能，在电池内部压力升高到一定程度时，防爆阀动作切断电流回路，当电池内部的压力进一步升高时，防爆阀结构被破坏，释放电池内部的压力，防止电池发生爆炸。之前我们重要是从原理上了解防爆阀的设计，由于18650电池上盖的结构设计让我们很难直接看到在热失控的过程中防爆阀动作过程，近日伦敦城市学院的DonalP.Finegan（第一作者）和PaulR.Shearing（通讯作者）通过高速摄影装置对不同厂家的18650电池上盖在热失控中防爆阀的动作过程进行了拍摄，还原了热失控中18650电池防爆阀动作的全过程。
相关研究显示热失控一旦发生，热失控可能会在2s之内蔓延到整个18650电池，因此为了能够更好的观察整个热失控过程，要每秒为18650电池拍摄1000张以上的X光照片，而电池的爆炸时间小于0.01s，这就要更高的拍摄速度。为了满足这一苛刻的要求，DonalP.Finegan采用欧洲同步辐射实验室的设备对18650电池防爆阀的动作过程进行了拍摄，该设备曾经对保险丝的熔断起弧过程进行了拍摄，其分辨率达到了每秒钟百万次拍摄的级别。
试验总共对来自LG、松下、三星和三洋的5款18650电池和一款具有双防爆阀新型设计的18650电池进行研究（如下表所示），5种电池的正负极材料分别采用NMC、NCA、LMO和LCO混合，用来验证不同的体系和电池结构对防爆阀安全性的影响。
LG、松下、三洋和三星的18650电池上盖和防爆阀的结构设计如下图所示，从图中我们能够注意到所有的防爆阀都通过凸起结构与焊盘相连（极耳焊接在焊盘上），当电池内部压力升高到一定程度时防爆阀会发生变形，与焊盘脱离，从而切断电流回路。同时我们也能够观察到所有的防爆阀结构上都有一圈环状的刻痕，当电池内部的压力继续升高到一定的值时，防爆阀被破坏电池泄压，防止电池爆炸。此外，在LG、松下和三洋的电池上盖种还包含PTC结构（正温度系数材料），当电池的温度上升时PTC材料的电阻急剧升高，从而阻止电流的继续升高，而三星电池由于采用倍率型设计（20A放电），因此并未设计PTC结构。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
下图为通过高速相机（每秒2000张）拍摄的LG的两款电池和三洋电池的防爆阀泄压过程，从下图a和b中能够注意到虽然LG-S3和LG-B4具有相同的防爆阀结构设计，但是由于LG-B4电池内部具有中心针，因此在热失控中两个电池的行为并不相同。关于S3而言，由于没有中心针的支撑，电芯向中心塌缩，在快速流动气体的带动下，大量电芯上的活性物质被撕扯下来，随气流喷到电池外部（下图a的1.4545s处）。而B4电池由于电芯中央具有中心针，因此在气流的用途下，中心针向其中一侧移动，减少了卷芯针倾斜的一侧的活性物质撕裂的情况，却导致了另一侧电极撕裂的加剧。
从上面的分析不难看出18650电芯内部的中心针关于电池在热失控中的行为有着显著的影响，从下图b和c我们能够注意到在热失控出现的气体推动下，LG-B4和三洋电池的中心针都出现了明显的上移，中心针的存在防止了电芯向中心塌缩，为气体扩散供应了足够的扩散通道，减少了气体喷发时带出的正负极活性物质，降低了热失控向周围电池扩散的风险。
