动力电池的针刺试验

Q我是电动汽车的销售员，最近有几位车主购车时问到关于动力电池发生碰撞所涉及的安全问题，以及三元锂、磷酸铁锂和刀片电池“针刺试验”的相关问题，我感到难以全面回答。请教汪老师，电池“针刺试验”是怎么回事？如何评价动力电池的性能？

广东读者：樊颇岗

A电动车动力电池的安全问题，曾给深圳人留下了极为深刻的记忆。2012年5月的一个深夜，深圳市滨海路上一辆正常行驶的比亚迪电动出租车，被另一辆时速超过190km/h的汽车猛烈撞击，当场引起二次碰撞，发生火灾，造成包括驾驶员和乘客在内三人同时死亡。第二天，谣传比亚迪的磷酸铁锂电池爆炸，引起比亚迪股价大跌，比亚迪瞬间亏损四十多亿。

动力电池的安全性能，显然是广大车主最为关注的。当前电动车上使用最多的两种电池均是锂电池，分别是磷酸铁锂电池和三元锂电池。全面评价动力电池的性能，主要集中在安全、能量密度和使用寿命等方面。由于电池材质和结构的差异，相对来说，磷酸铁锂电池的热稳定性好，最安全，而且使用寿命更长，成本也更低。而三元锂电池的突出优点是能量密度大，实车电池包比磷酸铁锂电池轻150kg。电池轻量化使车辆续航里程大幅提升，可以达到800km的水平，这也是三元锂电池深受车友欢迎的主要原因。

三元锂电池和磷酸铁锂电池，各有长处和短处，究竟哪种电池更优？目前业界尚无定论，这也是促使电池进步的动力。“针刺试验”是模拟车辆发生严重事故时，尖锐金属一旦刺穿电芯，引起电池热失控后反应的试验，属于最严苛的电池安全测试（图3）。

图3 电池针剌试验的装置

电池的针刺试验，简单来说是将充满电的电池平置，用钢针垂直打入电芯中，保持5s时间，针体造成电池内物质的短路，电能迅速转化为热能，造成瞬间放电，能量集中释放和爆发(图4)。测试表明：在针刺试验中，有70%的锂电池能量在1min内释放，导致极短时间内温度急剧上升，电池可能发生冒烟和漏液现象，继而引发连锁反应导致热失控，甚至引起爆炸和火灾等严重安全事故。

图4 针剌引起短路电流示意图

有专业厂家的相关人士对电池针刺试验有不同看法，认为电池包外有坚固的金属防护，针刺破坏不可能到达电芯内部。官方也于2017年发布相关规定，针刺试验被列为暂不执行项目。但是，随着我国电动车的技术进步与迅猛发展，考虑到电池安全事故主要是发生热失控，针刺实验是模拟热失控诱因的一种非常严酷的有效测试。所以2020年，官方发布电动汽车的强制性2020-GB30381标准，又将针刺的热扩散试验列入其内。

在电池针刺试验中，曾采用φ8mm的钢针、铜针和塑料针做穿刺。结论是铜针导致电池内发生严重短路，电压降的速率很快，不到2h就会基本放完电，针刺点的温度在150℃左右。采用钢针做穿刺，有的16h仍未完全放电。而塑料针造成的短路极微弱，甚至观察不到内短路现象，温度亦低于50℃。针刺试验中的针径有φ2mm、φ3mm、φ8mm和φ10mm等数种，测试表明，采用粗针大多放电速率快，但有时细针放电更快，证明针径对短路的影响并不大。针刺的速率较快时，引起短路电流，易将金属针的尖端融化，往往使电池内短路出现断开现象，反而会降低放电速率。图5所示为针刺试验的电压降与时间的关系。

图5 针刺试验的电压降与时间关系

专业的针刺试验曾在三元锂电池、磷酸铁锂电池和刀片电池等三种不同动力电池上做对比测试，结论是三元锂电池发生剧烈燃烧，表面温度超过500℃；磷酸铁锂电池产生大量烟雾，但电池即使丢在火里也不燃烧，没有明火，温度为200～400℃；表现最好的是刀片电池，散热极快，针刺测试既没有明火也无烟雾，表面温度不到60℃，甚至“连鸡蛋都烤不熟”。

刀片电池属磷酸铁锂技术的创新，电池包组成时跳过“模组”，由电芯直接构成，大幅提高了电池的体积利用率，电池能量密度几乎接近三元锂电池水平(图6)。刀片电池的续航里程比磷酸铁锂电池提升50%以上，针刺试验表明刀片电池可杜绝燃爆现象，具有安全可靠、行驶寿命长、续航里程长等特点，其优势是十分明显的。

图6 刀片电池的外形