针刺触发不起火锂离子电池包热扩散行为研究

张志萍，范亚飞，王 敏，许辉勇*

（深圳普瑞赛思检测技术有限公司，广东 深圳

锂离子电池由于使用便捷性而被应用在各种领域，如离网储能、电动工具、新能源汽车等。锂离子电池作为车辆动力来源进入新能源汽车市场并快速发展，里程焦虑和使用安全问题成为了社会的热点话题。高热、机械冲击、挤压等滥用场景可能导致锂离子电池触发热失控反应，并可能会进一步导致严重的热扩散。热扩散是一种电芯热失控并在整个电池系统中传播的连锁反应。在电池包热失控扩散过程中，电池单体和电池箱内可燃物将剧烈燃烧并释放大量热量、有毒和易燃气体，造成巨大的人身财产安全隐患，并对环境造成严重污染[1]。随着每年数十起电动汽车起火事故的重大安全问题，GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》要求必须将动力电池热失控扩散纳入汽车的关键测评项目。在该标准中，热扩散的概念被首次写入国家标准，旨在确保火灾发生时，乘客有足够的时间逃生。该项测试同时被写入UL-9540A[2]、EVS-UN GTR[3]和ISO-26262[4]等国际标准测试条款中。

GB 38031 新标准提供了两种触发电池热失控的方法，分别为加热法和针刺法。异物刺穿电池触发热失控并进一步在电池包内热扩散是导致电动汽车严重热事件最可能原因之一，因此本文选择针刺法来触发热失控。首先按照GB 38031 中要求的针刺触发方法对1 并2 串模组进行针刺，研究相邻电芯热扩散特征。其次系统分析针刺触发电池包热失控过程的外部温度特征和热扩散路径。最后对电池包灭火特点和存在的问题进行了分析。

1 试验部分

1.1 电池系统参数

试验选用市场主流的镍钴锰三元锂离子电池。电池正极活性物质为镍锰钴（比例为5：2：3 的三元锂金属氧化物），负极活性物质为石墨。其中样品1 为模组，是由2 块方形电芯串联组成。样品2 为电池包，是由电池管理系统、冷却系统和16 个模组组成，其中每个模组由6 块串联的电芯组成。电池包的额定电压和额定能量分别为364.5 V 和61.3 kWh。试验前电池模组和电池包均补电至100%SOC。

1.2 针刺试验

图1 为模组针刺示意，模组表面共设置9 个温度监测点（T1～T9）。钢针沿T1 位置刺入电芯1 直至其触发热失控。T2 温度监测点位于被刺电芯大面中心（靠近隔热板）。环境温感点设置在电芯防爆阀正上方和模组周围（T10～T12）。

图1 模组针刺试验温感线分布位置示意

图2 所示为电池包针刺触发热失控扩散的测试台架，钢针和温感点设置位置如图2 所示，测试台架中钢针的动能由油压机提供。油压机由220 V 交流电驱动。针刺前沿电池包侧面滑动测试台架钢针来控制钢针的刺入位置，旨在将钢针刺入电池包内部双层模组的上层模组中，具体的钢针刺入目标位点选择图2中所示的T-7 位置，图3 为电池包针刺孔。针刺试验方法按照国标GB 38031 进行。钢针规格选用直径6 mm，锥角45°的不锈钢钢针。针刺时以8 mm/s 的速度刺入电池包。

图2 电池包针刺试验台架及温感线位置分布示意

电池包表面共设置8 处温感点，具体位置分别用T-1、T-2、T-3、T-4、T-5、T-6、T-7、T-8 表示，如图2所示。其中T-7 温感线采集点位于泄压阀处，并靠近针刺点，此处的温度变化将更明显。

2 结果与讨论

首先进行模组的针刺触发热失控扩散试验以研究电芯间的热扩散特征。如图4 所示，第0.7 s（A 点）时，钢针刺入电芯1，模组电压开始下降；第1.5 s（B点）时，模组电压降至4.19 V。电压下降期间电芯1 被钢针刺入的区域短路放电，这是正负极活性材料接触、正负极集流体接触、正极集流体与负极活性材料接触、负极集流体和正极活性材料接触、钢针与电极材料接触、钢针与集流体接触共同作用的结果。期间电芯1 释放大量焦耳热，但由于过程持续时间短，未监测到电芯表面的显著温升。第1.5 s 时模组爆炸喷燃，时长为8.5 s，此时T1（钢针刺入点）和T11（电芯2防爆阀上方10 cm 处）处温度骤升，是喷射火焰与温感点接触造成的。在第10 s（C 点）火焰熄灭时T1 处达到最高温度528.73 ℃。在此过程释放的热量主要来源于电池短路释放的焦耳热、化学反应释放的化学热和燃烧反应释放的热量，其中燃烧反应释放的热量在三类热量来源中贡献最大[6]。电芯1 的厚度约为40 mm，针刺速度为8mm/s，因此判断模组在发生爆炸喷火现象时，钢针刺入电芯1 的深度约为电芯厚度的16%，说明钢针在刚刺入电芯16%的深度即触发了热失控。

第10 s（C 点）时，模组喷燃结束，并释放大量浓烟，持续时间长达540 s。如图5 所示，冒烟结束时电芯1 的表面温度（T1）高达277.5 ℃，电芯1 和电芯2之间的温度（T2）为171.9 ℃。这对电芯2 造成了极大的热安全风险。由于电芯1 在喷火期间沿防爆阀方向定向喷火释放热量，且两电芯之间有隔热板，因此电芯2 未触发热失控。若将200 ℃定义为热失控边界温度，电芯1 的表面温度在第1013 s 时下降到了200℃以下，此时周围电芯的热失控风险开始降低（见图5)。

图5 模组热失控过程电压和温度变化曲线

根据图4 和图5 热失控过程中温升明显的T1、T11、T6、T7 温感点温度变化趋势，推测在针刺触发热失控过程中，热量按照热对流（T1、T11）、热辐射（T6、T7）、热传导（T1、T6、T7）的形式释放。其中，热对流持续时间较短，但对周围电芯的破坏性较大，其他热传递形式持续时间较长，对周围电芯的危害时间更长。如图6 所示，热失控期间的电压-温升速率可以更直观地反映这种热传递关系：在前10 s，T1 和T11 的升温速率依次快速增加。dT1/dt 的最大升温速率为98.37 ℃/0.1 s，dT11/dt 的最大升温速率为78.85 ℃/0.1 s，但dT6 和dT7 的最大升温速率分别为3.28 ℃/0.1 s 和3.37 ℃/0.1 s。

图6 模组热失控过程电压和温升速率曲线

模组针刺时火焰从防爆阀处猛烈喷出，针刺部位和防爆阀处冒出浓烟。如图7 所示，电芯1 内的失效电极材料随热流喷出，防爆阀的边缘被热流冲击发生撕裂，相邻电芯2 外壳被浓烟熏黑。说明在热失控期间，具有巨大冲击力的热流从电芯1 中释放出来，这意味着热失控将给密闭电池箱内的周围电芯带来巨大的安全风险。结合图5，热失控后模组电压保持4.19 V，模组未发生热失控扩散。

图7 模组针刺试验后样品照片

根据电池包内电池模组针刺热失控扩散过程的热量传递特性，一般将热事件按针刺位置产生的3 次冒烟或起火现象分为三个阶段：第一阶段是钢针刺入目标模组触发热失控起火至第二次起火前持续的时间；第二阶段是针刺孔第二次起火至第三次起火前持续的时间；第三阶段是从针刺孔第三次起火到火焰熄灭的过程。图8（a）清楚地展示了上述三个阶段的温度变化。

图8 电池包热失控和热扩散过程温度曲线

电池包热失控第一阶段释放的总电能可分为两部分：针刺开始时钢针上释放的电能和隔膜失效后大规模短路时释放的电能。电芯大规模短路释放的热量延长了电池热失控起火时长，包括冒烟、喷射火花、喷射火焰、稳定燃烧和熄灭[7]。钢针刺入目标模组2 min 后火花立即从针刺孔喷出，这与目标模组内电芯的热失控直接相关。钢针刺入目标模组后，T-7 监测温度达到649.3 ℃，如图8（b）。这表明电池包内目标模组在短时间内释放出的巨大能量与电芯的短路放热直接相关。Maleki 等人的研究显示，电池70%以上的能量可以在60 s 内集中释放。T-6 在最初的几秒钟内快速升至500 ℃，可能是热量扩散路径被电池箱体外壳阻挡，热量在T-6 区域蓄积造成的，T-1、T-2、T-3、T-5 监测到的温度变化证实了上述猜测。钢针刺入目标模组后，T-5 的温度在20 s 内达到110 ℃左右，并在此温度下持续保持1000 s，这与该区域的能量蓄积直接相关。因此在热失控衍生损坏早期，应考虑对靠近电池包外壳易燃部位的导线进行额外保护，以避免电芯起火造成的导线被加热。在第一阶段的热失控触发后1000s 内，除T-7 外，其他温感点的温度均无大幅波动，说明第一阶段并未发生热扩散，符合GB 38031 要求，即电池包触发热失控后5 min 内不得发生热扩散。

电池包热失控第二阶段开始于第1150 s，此时热失控扩散到相邻的电池（第二块电芯），T-7 的温度在几秒钟内从环境温度升高到762 ℃，同时T-4 和T-6 也出现不同程度的快速温升，并呈现出与第一阶段相同的喷火和热量释放现象，如图8（c）所示。在第二阶段，电池包外壳受到第二次热失控的进一步加热，T-5 的温度逐步上升到200 ℃左右，表明T-5 可监测的区域正在发生持续性燃烧。

在第三阶段，热失控扩散到第三块电芯，同样观察到类似的温度曲线：T-4、T-5 和T-6、T-7 从1500 s 开始再次升高，T-7 在几秒钟内升至767 ℃，如图8（d）所示。

此外，第二阶段持续时间约为550 s，约为第一阶段时长的一半，期间T-2、T-3、T-4、T-5 和T-6 的平均温度高于第一阶段。可以推断，电池包热事件在第二阶段出现了进程加速[8]。

在电动汽车起火时，受汽车底盘结构影响，即使在理想情况下消防水也仅能进入电池包表面。为模拟电动汽车发生热事件时的灭火行为特征，因此从第三阶段起开始采用消防水喷淋电池包的方法研究对锂离子电池包的灭火行为。采用消火栓处压力为0.45 MPa 的标准消防水均匀连续喷洒在电池包上10 min，此时电池包表面温度逐级下降至环境温度（由于温感线外部涂层是没有防水层的玻璃纤维，此时停止温度采集）。接着减弱消防水流速至初始流速的一半，仅14 min 后，电池包再次发生热扩散[9]，针刺孔发生了第四次喷火并稳定燃烧3 min，而后又出现第五次喷火。即使从第三阶段起对电池包不间断喷水，但在针刺2 h 46 min 后，电池包依然被彻底烧毁，如图9 所示。

图9 烧毁的电池包

3 结论

本文采用针刺触发的方法研究了电池模组和电池包的热失控扩散特征。当钢针刺入目标电芯或模组时，目标电芯发生短路并触发热失控，在几秒钟内爆炸喷燃并释放出巨大能量。期间释放的巨大能量持续加热电池包的整个内部空间，导致相邻电芯之间的热扩散。

即使电池包发生热扩散的时间满足GB 38031 的要求，但当电池包出现第二次爆炸喷燃时，也能观察到热扩散进程显著加速。此外模拟电动汽车灭火时，在电池包上持续喷淋标准消防水会使电池包表面温度逐渐下降到环境温度。但在减小消防水流速的情况下，电池包依然会再次起火，并最终被烧毁。由于热扩散时热量集中定向地在电池包内传播，在进行电池包安全设计时线束和其他易燃部件应进行额外保护，以防止热失控初期的衍生损坏。此外，大流量的喷水可抑制热扩散，而额外的灭火设计，如用于电芯灭火的灭火器或绝热设备，可消除电池包热扩散，最终实现对电池包的全面保护。