这一次我们\"亲眼\"看到锂电防爆阀在热失落控中是若何工作的

对付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，防爆阀动作割断电流回路，当电池内部的压力进一步升高时，防爆阀构造被毁坏，开释电池内部的压力，防止电池发生爆炸。
之前我们紧张是从事理上理解防爆阀的设计，由于18650电池上盖的构造设计让我们很难直接看到在热失落控的过程中防爆阀动作过程，近日伦敦城市学院的Donal P. Finegan（第一作者）和Paul R. Shearing（通讯作者）通过高速拍照装置对不同厂家的18650电池上盖在热失落控中防爆阀的动作过程进行了拍摄，还原了热失落控中18650电池防爆阀动作的全过程。

干系研究显示热失落控一旦发生，热失落控可能会在2s之内蔓延到全体18650电池，因此为了能够更好的不雅观察全体热失落控过程，须要每秒为18650电池拍摄1000张以上的X光照片，而电池的爆炸韶光小于0.01s，这就须要更高的拍摄速率。
为了知足这一苛刻的哀求，Donal P. Finegan采取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。

试验中共对来自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取NMC、NCA、LMO和LCO稠浊，用来验证不同的体系和电池构造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构造设计如下图所示，从图中我们能够把稳到所有的防爆阀都通过突出构造与焊盘相连（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，与焊盘分开，从而割断电流回路。
同时我们也能够不雅观察到所有的防爆阀构造上都有一圈环状的刻痕，当电池内部的压力连续升高到一定的值时，防爆阀被毁坏电池泄压，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构造（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，从而阻挡电流的连续升高，而三星电池由于采取倍率型设计（20A放电），因此并未设计PTC构造。

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（视频1、3和5，视频2、4、6为同样电池重复试验），从下图a和b中能够把稳到虽然LG-S3和LG-B4具有相同的防爆阀构造设计，但是由于LG-B4电池内部具有中央针，因此在热失落控中两个电池的行为并不相同。
对付S3而言，由于没有中央针的支撑，电芯向中央塌缩，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电池由于电芯中心具有中央针，因此在气流的浸染下，中央针向个中一侧移动，减少了卷芯针倾斜的一侧的活性物质撕裂的情形，却导致了另一侧电极撕裂的加剧。

从上面的剖析不丢脸出18650电芯内部的中央针对付电池在热失落控中的行为有着显著的影响，从下图b和c我们能够把稳到在热失落控产生的气体推动下，LG-B4和三洋电池的中央针都涌现了明显的上移，中央针的存在避免了电芯向中央塌缩，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，降落了热失落控向周围电池扩散的风险。

干系动图如下：

LG-S3

LG-B4

三洋

下图为三洋、松下和三星的18650电池在发生热失落控后电池上盖的三维构造，从下图中能够看到三洋和松下的18650电池在发生热失落控后，中央针都在气体的推动下穿破电池上盖，为气体扩散供应了通道（视频7为松下电池）。

三星的电池上盖防爆阀在热失落控中发生了熔化，表明三星的18650电池采取了一种熔点低于钢的材料制作防爆阀（视频8）。

在全体测试过程中，作者创造电池的能量密度越高，则越随意马虎发生爆炸。
松下的电池容量达到3.4Ah，因此根据干系研究其在热失落控中能够比其他几种电池（2.6Ah）多产生2L气体（2.5L/Ah）。
为了剖析电池的爆炸过程（0.01s）作者将X射线拍摄速率提高到了每秒20272张（视频9）。

作者创造在相同的测试制度下，三星的7只18650电池中有两只发生了爆炸，别的的5只正常的通过防爆阀开释压力。
如果我们仔细不雅观察三星18650电池的全体爆炸过程（如下图所示）可以看到4个过程

1. 电芯轻微向防爆阀处移动。

2. 电芯溘然向防爆阀处移动，堵住防爆阀的导致压力积累。

3. 压力积累到一定程度后，防爆阀中心环形刻痕向外突出，电池的电流回路切段。

4. 电池壳上半部分的滚槽被拉直，防爆阀分裂，电极从防爆阀的分裂处喷出，电池爆炸。

松下的电池与LG的电池具有类似的构造，也同样具有中央针，不同的是松下的电池能量密度更高，电池的容量达到3.4Ah，因此在相同的实验条件下11只电池中有6只通过防爆阀发生了喷发，4只的防爆阀被中央针刺穿，1只保持完全（视频12）。
从下图中我们能够看到松下的电池热失落控从电芯外圈的第5层开始，随后热失落控蔓延，大量的电极被撕裂，表明热失落控产生的气体的流速非常快。
从下图2.0660s处的图片可以看到，中央针在高速气流的带动下，开始向着电池上盖的方向移动，并刺破电池上盖，到达电池的外部。

松下电池热爆炸过程也可以分为4个部分

1. 电芯向电池上盖处轻微移动，并与电池上盖直接打仗，阻碍了电芯的进一步移动。

2. 防爆阀在气体压力的浸染下变形凸出，电池的电流回路被割断。

3. 电芯和中央针向着电池上盖的方向上快速移动，在电池上盖上积累压力。

4. 在电芯施加的压力的浸染下，电池滚槽处被拉直，电池上盖也被弹出，随后电芯喷出。

比拟三星电池的爆炸过程可以看到，松下电池的防爆阀是在气体的浸染下发生变形，而不是在电芯的浸染下，这表明由于松下电池的容量更高，因此产气更多也更快，现有的防爆阀设计不敷以知足快速泄压的需求，须要采取更为有效的办法对电池进行泄压。

下图为三星和松下18650电池正常泄压和爆炸后的图片，可以看到正常泄压的三星18650电池防爆阀中心发生了明显的熔化征象，松下电池的防爆阀则被中央针刺穿，无论是松下还是三星的电池，在爆炸后其电池壳上盖位置滚槽和压缩密封处都在强大的压力下被拉直了，电池的上盖也被弹出。

从上面的剖析不丢脸出虽然18650电池设计有防爆阀，希望在电池热失落控过程中及时泄压，但是在实际的热失落控过程中每每由于电芯堵塞防爆阀，引起电池无法泄压，引起电池爆炸，大量的活性物质向周围扩散，这可能会造成热失落控在电池组内部的扩散。
为理解决这一问题，作者在18650电池的底部设计了第二个泄压阀（如下图a所示），在热失落控过程中产生的气体通过高下两个防爆阀快速开释，避免气体积聚，防止电池爆炸。
通过高速视频（视频14、15、16）我们能够看到电池的热失落控分为以下三个步骤。

1. 首先电芯轻微向上偏移，在电池的底部留出空间，气体开始在底部聚拢。

2. 电池底部防爆阀开启，积聚的气体得到了开释，电芯再次向底部移动。

3. 电池内部压力在可控的状态下通过高下防爆阀得到开释，电池壳上部和侧壁没有发生破碎和变形。

高下双防爆阀的设计为热失落控中产生的气体扩散供应了足够的通道，能够有效防止电池发生不可控的爆炸。

从Donal P. Finegan的实验结果来看，上盖的单防爆阀设计在18650电池发生热失落控时很难担保电池内产生的气体快速泄压，特殊是在电池容量比较大，短韶光内产生大量气体的情形的情形下，上盖防爆阀很随意马虎被位移的电芯所堵塞，从而导致电池内部的压力积聚，引起爆炸。
而高下双防爆阀的设计则能够有效的提升气体泄压效率，减少电芯位移，避免了防爆阀被堵塞的情形，很好的改进了电池的安全性。
但是高下双防爆阀的设计也存在热失落控泄压的过程中高温气体和物质会同时从高下两个方向开释，这就须要电池组设计时充分考虑这一特性，针对性的设计一些构造，防止热失落控的扩散。

由于本论文涉及视频较多，而文章不适宜嵌入多个视频，故本文只以动图形式供应。

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Identifying the Cause of Rupture of Li-Ion Batteries during Thermal Runaway, Adv. Sci. 2018, 5, 1700369, Donal P. Finegan, Eric Darcy, Matthew Keyser, Bernhard Tjaden, Thomas M. M. Heenan, Rhodri Jervis, Josh J. Bailey, Nghia T. Vo, Oxana V. Magdysyuk, Michael Drakopoulos, Marco Di Michiel, Alexander Rack, Gareth Hinds, Dan J. L. Brett, and Paul R. Shearing

文/凭栏眺