钜大LARGE | 点击量：886次 | 2021年05月20日
动力锂离子电池安全吗？动力电池安全测试
针关于电芯级别测试，取消了争议比较大针刺试验，根据《电动汽车用动力蓄电池安全要求》给出的理由是IEC等国际标准没有发现针刺试验，以及由于针刺试验与实际失效模式不相符等理由，工信部公布的新能源汽车准入管理规定（39号令）中针刺为暂不执行项目。
但笔者认为，取消针刺试验实际上是各方利益集团游说的结果。取消针刺试验是否合理姑且不论，本文着重讨论一下针刺实验与动力锂电池实际失效模式是否相符，以及针刺试验研究的最新研究进展。因为安全性是人们使用锂离子电池最为关心的问题之一，特别是在新能源车等关系到生命财产安全的领域，安全尤为重要。但是关于锂离子电池安全测试试验而言，针刺实验是最为复杂的，这是因为整个锂离子电池的能量都会通过内短路点在短时间内快速释放（最多会有70%的能量在一分钟内释放），导致温度在短时间内急剧上升，继而引发连锁反应，从而导致热失控。
谈谈动力锂电池的安全测试针刺实验
针刺测试，将充满电的电池放在一个平面上，用直径3mm的钢针沿径向将电池刺穿。测试电池不起火、不爆炸。因为动力锂电池在实际应用场合，存在异物刺入电池包内部导致电池发生短路的可能，而针刺测试能够很好的反应电池短路的发生情况，当钢针刺入时，钢针供应了电池内部短路的通路，电池的电能转化为热能，并存储在电池内部，短路造成短时间内能量的集中爆发和释放，有可能出现冒烟、漏夜，甚至起火爆炸。通过电池材料、结构设计的改进，高能量的锂离子电池是能够通过针刺测试的。当针刺入电池时，电池内部形成很对短路通路，它实际上同时模拟了内短路和外短路两种过程
英国AhmedAbaza博士在读书期间就和捷豹路虎的电池研发工程师RonnyGenieser一起开展动力锂电池滥用安全研究，17年博士毕业后以高压电池工程师加入捷豹路虎工作。Abaza博士期间研究重点关注针刺实验，这里简要介绍下AhmedAbaza博士在针刺实验上取得的一些成果和结论。
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%
重要研究方面包括针刺实验重复性真的差吗？怎么控制短路形式？怎么代表内短路场景，如单层短路vs全刺穿短路等。
当针刺触发内短路时，电流从电池内部经针从正极流向负极进行放电过程（图1），短路电阻如公式（1）所示：
Rs=Rnail+Rcnt（1）
式中Rs为短路电阻，Rnail为针自身电阻，Rcnt为接触电阻。
Rnail=ρL/A（2）
式中ρ为针的电阻率，L为针的长度，A为真的横截面积。
针刺后的欧姆热功率为
P=I2*Rs（3）
式中P为欧姆热功率，I为短路电流。
通过以上公式不难看出，针刺实验结果不仅同针的材质（ρ）、粗细（A）有关，还同接触电阻和电芯的厚度（L）有关。针刺过程最复杂的地方在于针同电池内部正负极极片接触位置存在接触电阻，且随着针刺深度的变化和内部化学反应的进行，接触电阻是动态变化的，从而导致针刺实验的重复性相对较差。
AhmedAbaza博士的针刺实验所用装置、电池及相关参数如图2、表1和2所示。所用电池为15AhLMO-NMC叠片软包电池，电池内阻6m，针刺实验前电池处于满充态。针刺实验所用的针选用了三种材质，分别为铜针、钢针和塑料针。针直径为3mm和10mm两款，针刺速度为100mm/s，针尖锥角60。实验温度在16℃左右，低于常规的25℃。测试时软包电池放置在热箱内，目的是保温，防止实验过程时电池同外界有过多热交换。
谈谈动力锂电池的安全测试针刺实验
从实验结果不难看出:(1)三种不同材质的针得到的结果截然不同；(2)同样材质针重复十次实验，结果可能存在很大偏差。从电压曲线判断，铜针针刺更容易导致电池发生严重内短路，一个样品不到2h即完全放电；钢针次之，16h仍未完全放电；而塑料针针刺内短路极微弱，甚至有的似乎观察不到内短路现象。以上结果证明：（1）针刺实验结果确实同针的电导率有关；（2）针刺实验中针是重要电流通路。针刺实验的低重复性表明影响针刺实验结果的不仅有针自身的电阻，接触电阻也是极为重要的因素。而针刺过程接触电阻难以测量，针的表面粗糙度、锥角、针刺过程电解液反应产物都有可能对接触电阻存在影响。
