摘 要： 研究鋰離子動力電池熱失控特性，獲取關鍵引數，對熱失控預警、熱失控擴散阻止以及熱失控擴散防護設計具有重要意義。本工作利用以鎳鈷錳酸鋰［Li(Ni0.8Mn0.1Co0.1)O2，NCM811］為正極活性物質，分別以矽基材料(SiOx/graphite)和石墨(graphite)為負極活性物質的25 A·h軟包動力電池，開展了不同SOC(state of charge，荷電狀態)針刺熱失控特性研究，闡述了熱失控過程現象與溫度及電壓的對應變化關係；透過鋼針溫度估算了不同SOC下單位容量熱失控放熱量，並對熱失控噴射的火焰、噴射出去的高溫固體物質等形式熱傳遞進行分析。結果顯示，在同等SOC時，矽基負極體系電池產生了更為劇烈的熱失控。SOC為25%時，矽基負極體系電池在針刺過程中依然會發生劇烈的熱失控，而石墨負極實驗現象則較為溫和。矽基負極體系電池荷電狀態為100%、50%、25%時，電池周邊都監測到持續一定時間的高風險溫度，容易誘發臨近電池產生熱失控。電池針刺實驗失重量隨著SOC的增加而增加，100% SOC的矽基負極體系電池失重比例最高，達到了75.2%。
關鍵詞： 鋰離子電池；矽基負極；針刺；熱失控
鋰離子電池作為一種使用過程中零排放、綠色環保的可再生能源載體，正在逐步取代以化石燃料為主的傳統驅動系統，目前，鋰離子電池已經是新能源汽車的主要動力來源。軟包鋰離子動力電池與圓柱、方殼等形態的鋰離子電池相比，能量密度可以做到更高，然而由於其包裝材料特性，電池在使用過程中容易遭受如被異物刺入等機械破壞而發生一系列熱失控化學反應，誘發熱失控擴充套件造成嚴重事故災害。因此，研究軟包鋰離子動力電池針刺測試時的熱失控特性，對其安全應用和電動汽車行業有重要意義。
Diekmann等對針刺實驗程式方法進行了研究，提出了一種基於在稀有氣體氛圍下，透過電池電壓來控制針刺裝置，玻璃纖維膠帶覆蓋試驗電池以減少電池熱量損耗的方法來提高針刺實驗可重複性，並研究了針刺穿透深度與電壓下降、以及由電壓下降導致的電池表面溫度變化和氣體組分的濃度之間的相關性。Huang等透過在細小中空的鋼針內建溫度感測器，並透過很慢的針刺速度對軟包電池針刺實驗內部短路及熱失控過程進行了研究，闡述了短路電阻與溫度變化的關係。Liang等提出了一種透過電池短路面積等效電阻評估軟包電池針刺過程的有效模型，並準確預測了電池針刺熱失控時間及電池表面溫度分佈。張景涵等基於針刺觸發的電池包熱失控擴散實驗，提出一種在某型電池包針刺實驗資料基礎上，透過不確定性計算對失控擴散進行預估的方法，以此推測其擴散時間的期望和區間，提出了一種電池包熱失控的預警思路。
此外，由於鋰離子電池電化學體系和材料的不同，電池表現出了不同的熱失控特性。Li等利用差示掃描量熱儀(differential scanning calorimetry，DSC)和加速量熱儀(accelerating rate calorimeter，ARC)對不同SOC的NCM811/矽碳(Si@C)電池進行了詳細的熱穩定性分析，發現了SOC大於55%時Si@C材料熱穩定性突變現象。Feng等基於熱分析資料庫對Li(NixCoyMnz)O2/graphite系列鋰離子電池熱失控機理進行了研究，並建立了相應的熱失控分析資料庫，為鋰離子電池的安全建模和設計提供了指導。張明傑等對石墨和鈦酸鋰負極體系的研究結果發現，單位質量石墨材料的燃燒熱為鈦酸鋰體系的9.3倍，論證了負極材料對電池的安全性的影響。
然而，對被視為新一代具有高比能量以矽基材料(SiOx/graphite)為負極的軟包鋰離子動力電池熱失控燃燒、放熱以及熱量傳遞擴散等特性行為研究還相對較少。本論文采用針刺實驗方法，分別研究了以矽基材料和石墨為負極活性物質，NCM811為正極活性物質的軟包鋰離子動力電池熱失控過程，對比分析了這兩種負極體系的熱失控特性，並透過電壓、溫度以及質量損失等資料，統計分析電池熱失控的能量產生及傳遞特點。透過兩種負極體系鋰離子電池在針刺實驗下的熱失控過程的對比分析，建立了矽基負極鋰離子動力電池在針刺測試下的熱失控過程特徵引數，為安全應用提供了資料支撐。
1 實驗設計
1.1 針刺機
針刺實驗採用符合GB/T 31485—2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》、GB/T 31467.3—2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統測試要求》的大型動力電池擠壓針刺綜合實驗臺，該實驗臺推力值為1～50 kN，針刺速度為0.1～100 mm/s，針刺位移為0～1000 mm，可滿足單體電池以及電池系統的針刺實驗要求。實驗裝置如圖1所示，測試裝置處於一個帶有防爆門、大功率煙氣回收處理裝置以及消防噴淋裝置的房間內，充分保障試驗安全性。
圖1 針刺實驗裝置
1.2 實驗電池
實驗物件為25 A·h，長寬高為15 cm×13 cm×1 cm的軟包鋰離子動力電池。正極活性物質為NCM811(鎳∶鈷∶錳含量比為8∶1∶1)，負極活性物質分別採用矽基材料(SiOx/graphite，SiOx質量佔比為8.45%)和石墨材料。詳細實驗設計資訊如表1所示。實驗前將電池以1 C(25 A)恆電流放電至截止電壓，然後以1 C恆電流充電至4.2 V並轉為4.2 V恆電壓充電至電流小於0.01 C後停止，最後靜置30 min，重複以上步驟3次，然後以1 C倍率放電至實驗指定的SOC，靜置1 h後使用。
表1 實驗設計資訊
按照上述充放電制度，電池樣品的電化學效能測試結果見圖2。圖2(a)為電池樣品的充放電曲線。圖中顯示矽基負極體系電池在規定的充放電電壓範圍內充電和放電容量分別為24.28 A·h和24.24 A·h，石墨負極體系電池分別為24.26 A·h和24.18 A·h，兩實驗組電池容量一致性高。在本次充放電期間兩實驗組電池的庫侖效率分別為99.84%和99.67%，實驗電池的電化學效能優異。圖2(b)為兩實驗組的容量-電壓微分曲線(dQ/dV-V)，圖中顯示，在充放電期間石墨負極體系電池樣品出現了兩組明顯的特徵峰(3.70 V，4.0 V)，此時電極材料晶相發生轉變，正極發生氧化反應，負極發生還原反應，單位電壓電量(dQ)激增，對應的氧化特徵峰高分別為50.5 A·h/V、27.2 A·h/V。而矽基體系電池樣品在充放電期間受負極複合SiOx的影響，3.70 V處的氧化還原特徵峰明顯左移，氧化特徵峰高顯著降低，其中主峰峰位為3.57 V，對應峰高41.9 A·h/V。在整個充放電過程中，氧化-還原峰位出現了不同程度的錯位，這與大電流(25 A)引起的電池極化有直接關係。由圖2(b)可以看出，矽基體系軟包電池與石墨體系軟包電池的內部電化學反應特徵存在明顯差異。
圖2 針刺實驗電池電化學效能：(a) 在1 C/1 C倍率下的充放電曲線；(b) 容量-電壓微分曲線
1.3 實驗方法
基於新國標GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》章節C.5.3.5推薦的熱失控測試溫度監控點佈置原則，在電池正反表面佈置4個溫度感測器，以及電壓採集線，其中S3感測器在S4感測器正對面。同時在鋼針上距離針尖60 mm位置處和電池固定臺附近分別佈置了一個鋼針溫度感測器Snail和一個環境溫度感測器Sair，感測器具體分佈位置如圖3所示(圖中藍色字元代表溫度感測器名稱)。
圖3 感測器在實驗電池上分佈：(a) 電池正面；(b) 電池反面
同樣，基於新國標GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》章節C.5.3實驗方法中推薦的針刺觸發熱失控方法，針刺實驗採用的鋼針材質為鋼，鋼針直徑為3 mm，針尖形狀為圓錐形，圓錐角度為30 °。試驗中針刺速度採用10 mm/s，針刺位置及方向為電池正面正中心垂直極片方向。資料取樣間隔為0.1 s。
2.1 SOC以及負極材料對針刺熱失控現象的影響
圖4(a)和圖5分別展示了矽基負極體系鋰離子電池在100% SOC針刺觸發熱失控的過程(影片影象)和電壓U以及針刺點反面溫度T3、針刺點附近表面溫度T4和鋼針溫度Tnail隨時間的變化曲線。鋼針在第9 s左右的時候開始刺入電池，第10 s電壓開始下降，說明鋼針已經觸發電池內部短路，對應可以看到第10 s在針刺點有火星噴出。10.6 s時T4、Tnail溫度開始顯著上升，此時電壓有一個恢復的短時過程，可能是溫度變化導致電池內部極化發生變化導致。第11 s火星噴射加劇，第12 s達到最劇烈噴燃狀態，說明電池已經發生嚴重內短路及劇烈放熱反應。T3溫度在噴燃開始後的第11.9 s才上升，起始升溫時間較T4和Tnail延遲明顯。Tnail溫度則在第12.6 s達到最大值968.4 ℃，此時T4溫度則出現短時下降過程，之後繼續上升在第13 s到達最大值1359.7 ℃，遠高於鋁塑膜的熔點660 ℃，推測熱電偶位置的電池殼(鋁塑膜)在高溫及劇烈噴燃作用下被熔融。T4在達最大值前後均有短時下降現象(圖中藍色虛線圈所示)，可能是由於電池殼被熔融，熱電偶直接暴露於熱失控反應劇烈噴射區域，大量電池材料損失以及噴射作用引起的焦耳-湯姆生效應(Joule-Thomson effect)導致。Tnail最高溫度低於T4最高溫度，主要原因是噴燃作用導致鋼針周邊已經沒有劇烈反應的電極材料與其接觸。T3最高溫度出現在第15.5 s，為665.7 ℃。噴燃過程持續到第15 s後，劇烈程度放緩，轉為明顯的火焰噴燃並夾帶火星，電壓在噴燃過程中持續下降，第18 s左右降至0 V，證明電池內部已經發生大面積的內短路或者熱失控反應。噴燃在第19 s基本結束，整個過程歷經10 s，之後電池轉為緩慢燃燒。圖4(b)、4(c)和4(d)分別給出了矽基負極體系電池在50% SOC、25% SOC和10% SOC針刺觸發熱失控的過程，對比可以發現在矽基負極體系鋰離子電池針刺試驗中，SOC越高，起火噴燃現象越劇烈，過程持續時間越短。荷電狀態為100% SOC時，僅10 s就完成熱失控噴燃過程；而荷電狀態為50% SOC試驗時，噴燃持續時間為13 s，25% SOC為25 s，10% SOC試驗雖然沒有起火噴燃，但依然觀察到火星噴射[圖4(d)，11 s]。
圖4 矽基負極體系鋰離子電池在不同SOC時的針刺觸發熱失控實驗現象：(a) 100% SOC；(b) 50% SOC；(c) 25% SOC；(d) 10% SOC
圖6(a)和圖7分別給出了石墨負極體系鋰離子電池在100% SOC下針刺觸發熱失控的過程(影片影象)和電壓U以及針刺點反面溫度T3、針刺點附近表面溫度T4和鋼針溫度Tnail隨時間的變化曲線。鋼針在第9 s左右的時候開始刺入電池，第10 s電壓開始下降，第13 s達到最劇烈噴燃狀態。Tnail在噴燃最劇烈狀態時達到最高溫度1202.7 ℃，時間晚於矽基負極體系電池試驗的12.6 s，但數值大於矽基負極體系電池的968.4 ℃，TSnail達到最大值的第13 s，T4為359.1 ℃，遠低於1202.7 ℃，推測如此高溫度可能由噴射的火焰直接加熱鋼針造成。同時電壓在18.5 s左右降至0 V。可以發現試驗過程現象同溫度電壓變化特徵與矽基負極體系電池試驗接近，持續時間為11 s。圖6(b)、(c)和(d)展示了石墨負極體系電池荷電狀態為50% SOC、25% SOC和10% SOC時，針刺觸發熱失控的過程。電池荷電狀態為50% SOC時，試驗初期有噴火現象，後期主要以冒煙為主，25% SOC和10% SOC的試驗組則基本沒有明火產生，實驗現象均比同等SOC的矽基負極體系電池溫和。
圖5 100% SOC下矽基負極體系電池電壓U以及T3、T4、Tnail溫度隨時間的變化曲線
圖6 石墨負極體系鋰離子電池在不同SOC時針刺觸發熱失控實驗現象：(a) 100% SOC；(b) 50% SOC；(c) 25% SOC；(d) 10% SOC
圖7 100% SOC下石墨負極體系電池電壓U以及T3、T4、Tnail溫度隨時間的變化曲線
矽基負極體系鋰離子電池試驗和石墨負極體系鋰離子電池荷電狀態為100% SOC的針刺觸發熱失控實驗現象都非常劇烈，矽基負極體系電池試驗過程以較為連續性劇烈火星噴燃為主，而石墨負極體系電池實驗主要是火焰噴燃。100% SOC實驗噴燃過程溫度遠高於正極鋁集流體熔點660 ℃(圖8)，鋁集流體在高溫高壓衝擊下會熔化。鋼針的穿刺和噴燃作用也會破壞銅集流體，集流體上活性材料會大量脫落以火星噴出，噴出物中同樣會有大量未反應完全的可燃物質如CO和H2等，這些混合物在高溫高壓下被點燃，形成火焰噴射。對比100% SOC矽基負極體系電池(圖5)和100% SOC石墨負極體系(圖7)電池在針刺時溫度和電壓曲線可以發現，在鋼針刺入電池後，兩者電壓曲線表現出了相同的趨勢。首先因為鋼針刺入電池導致內部短路使電壓在針刺初期有明顯的下降。同時，由於內短路的發生，電池溫度開始升高，到達熱失控臨界點之後，溫度劇烈上升，即電池噴射火星或者噴燃。同時電壓持續下降，在第18 s時，矽基負極和石墨負極體系電池電壓同時降為0 V左右，說明這兩種負極的電池由於剛針刺入和熱失控導致電池發生內部短路等熱失控過程和演變路徑基本一致。值得注意的是矽基體系電池的熱失控臨界溫度約為116 ℃，石墨負極體系電池約為52.7 ℃，此處溫度低於其他論文研究，是由於本實驗將電池表面正面中心(針刺點附近)的溫度T4定義為特徵溫度點，而非材料本身的熱分解溫度。在針刺過程中，矽基負極體系電池由於劇烈的放熱反應導致的火星噴射等現象使前期T4溫度產生了劇烈震盪(圖5中第12 s至第17 s，與影片觀察到的試驗現象一致)，進入穩定燃燒階段後此溫度才出現穩定下降趨勢。而石墨負極體系電池正面中心溫度T4在前期則保持在較低的範圍，可能由於電池熱失控產生的熱量仍然聚集於電池內部，只有當累積到一定階段之後電池表面溫度T4才出現較為明顯上升，即圖7中的第14～18 s。此外，由於劇烈的能量釋放，矽基負極體系電池針刺點反面溫度變化同樣要比石墨負極體系電池更劇烈，其在實驗初期已迅速升溫至600 ℃左右，並且持續了一段時間後才逐漸下降，而石墨負極體系電池針刺點反面溫度則在緩慢上升之後穩定在400 ℃以下。對比可知，SOC相同時，矽基負極體系鋰離子電池的熱失控現象比石墨負極更為劇烈，可歸因為充放電時矽基負極材料相對石墨負極材料有更大的體積膨脹變化，導致矽基負極材料表面的SEI膜被頻繁破壞，使得矽基負極穩定性比石墨負極差。此外可以看到，50% SOC試驗，矽基負極對比石墨負極，劇烈程度差異明顯。原因可能是在較低的SOC下矽基負極的相結構和較高SOC下有明顯的不同，導致矽基材料熱穩定性在不同SOC下有變化現象，使得較低SOC下矽基負極在較低的溫度下就能與電解液發生反應，而石墨負極在不同SOC下則不存在結構變化導致熱穩定性變化的現象。因此在較低SOC下矽基負極和石墨負極針刺實驗現象差異更明顯。
圖8 不同SOC鋼針溫度隨時間的變化曲線：(a) 矽基負極體系電池；(b) 石墨負極體系電池
2.2 熱失控產熱及傳遞
在針刺實驗中，鋼針作為一種非常優異的導體，是觸發電池內短路進而導致熱失控的重要因素。同時鋼針作為優良的熱導體，處於熱失控誘發點以及熱失控中心的位置，同電池表面溫度變化相比，鋼針溫度變化可以更直接反映電池內部放熱情況。圖8(a)展示了不同SOC矽基負極體系電池針刺實驗鋼針溫度變化曲線，可以看到，SOC為100%時，鋼針的溫度峰值最高，為968.4 ℃，而50% SOC、25% SOC以及10% SOC分別為717.7 ℃、309.0 ℃和93.7 ℃；圖8(b)給出了不同石墨負極體系電池針刺實驗鋼針溫度變化曲線，當SOC為100%時，鋼針的溫度峰值為1202.7 ℃，幾乎是50% SOC鋼針峰值溫度(328.1 ℃)的4倍，SOC為10%時，鋼針溫度無明顯變化趨勢。矽基負極和石墨負極實驗中鋼針的峰值溫度均隨著SOC的增加而增加。
因此，可以將鋼針起始溫度starTnail以及最高溫度maxTnail，等效處理為電池在熱失控過程中的溫度，並估算非絕熱環境下不同負極電池在針刺觸發熱失控後釋放的熱量△Htr，並把熱量換算成單位容量放熱量，具體計算式如下
(1)
(2)
Mbattery = Mcell + Mshell(3)
式中，△Htr為電池發生熱失控釋放的熱量，J；Ccell為電芯材料的比熱容，J/(g·℃)；Mbattery為電池的重量，g；Cshell為電池殼的比熱容，J/(g·℃)；Mcell為電芯材料的重量，g；Mshell為電池殼的重量，g；Ccell(Cp)為電池的比熱容，J/(g·℃)。
比熱容測試採用加速量熱儀(accelerating rate calorimeter，ARC EV+)，將2塊電池打包成一個模組，聚醯亞胺加熱片貼於模組表面，加熱片用於給模組提供穩定的加熱源。模組放置在ARC絕熱腔的中間，不與腔體接觸，防止模組與腔體存在熱交換。測試溫度範圍為25～50 ℃，測試溫度時間(T～t)曲線如圖9所示，比熱容計算式如下
(4)
(5)
圖9 電池比熱容測試溫度時間(T～t)曲線
式中，P為加熱片功率；△T為電池溫升；△t為電池溫升對應的時間差；U為加熱片輸入電壓；I為加熱片輸入電流；k為校準係數，取值0.85；Slope為T～t曲線斜率，其測試結果如圖9所示。根據式(4)和(5)計算得到矽基負極和石墨負極體系電池的比熱容分別為1.06 J/(g·℃)和1.04 J/(g·℃)。依據式(1)、(2)和(3)得到放熱計算結果如表2所示。
表2 不同SOC下熱失控熱量計算結果
注：以上每行資料均來自3次平行實驗資料的平均值。
不同SOC下鋼針平均最高溫度分佈如圖10(a)所示，矽基負極體系電池和石墨負極體系電池針刺實驗鋼針最高溫度均隨著SOC的增加而增加。當電池SOC為10%時，兩種負極電池針刺試驗都比較緩和，對鋼針的最高溫度影響較小且實驗值接近，矽基負極體系電池和石墨負極體系電池最高溫度分別為67.6 ℃和79.5 ℃；SOC為50%和25%時，矽基負極體系電池針刺實驗鋼針最高溫度高於石墨負極體系電池實驗鋼針最高溫度。而100% SOC時，兩種負極電池熱針刺試驗熱失控反應都非常劇烈，對鋼針的最高溫度影響較大，矽基負極體系電池和石墨負極體系電池最高溫度分別為1181.1 ℃和1195.4 ℃，與影片觀察到的實驗現象一致。
圖10 不同SOC下：(a)鋼針平均最高溫度均值分佈；(b)單位容量放熱分佈
圖10(b)給出了不同負極在不同SOC下透過針刺觸發熱失控單位容量所釋放的熱量與SOC的關係分佈圖。矽基負極體系電池單位容量釋放的熱量隨著SOC的增加而增加，100% SOC和50% SOC下單位容量釋放的熱量接近，分別為14935.5 J和14520 J。石墨負極在50% SOC、25% SOC和10% SOC下單位容量釋放的能量接近，而SOC為100%時，單位容量釋放的熱量達到了16791.8 J，是50% SOC下7962.1 J的2倍多，主要歸因為鋰離子電池熱失控過程熱量釋放來自於短路釋放的焦耳熱、化學反應釋放的化學熱和燃燒反應釋放的熱能這三部分，而燃燒反應釋放的熱量大於其他兩部分釋放的熱量。矽基負極體系電池在100% SOC和50% SOC燃燒比較劇烈，石墨負極體系電池試驗僅在100% SOC燃燒比較劇烈，因此，矽基電池在100% SOC和50% SOC針刺實驗釋放的熱量較大，而石墨負極體系電池僅在100% SOC針刺實驗釋放較多的熱量，與實驗現象一致。此外可以發現，實驗電池透過針刺觸發熱失控，單位容量釋放的熱量與SOC不成正比。主要原因有兩點：一是當荷電狀態改變時，熱反應也會同時改變，不同SOC下熱反應具有不同的活化能和不同的反應產熱行為，即隨著SOC的增加，副反應溫度會提前，放熱峰強度增加，對總放熱量有促進作用。因此在較高SOC下，針刺實驗放熱總量除了電池自身儲存的電能外，副反應的放熱貢獻比例會隨著SOC的增大而增大。二是高SOC下燃燒及噴射作用在熱失控熱量釋放中佔比較大，與文獻研究結果吻合。
Bak等和Sharifi-ASL等透過X射線吸收光譜(X-ray absorption spectroscopy，XAS)等手段研究表明，三元正極材料在200 ℃左右就會發生相變並釋放O2，SOC越高，材料起始相變溫度越低，將200 ℃定義為風險溫度，即電池溫度高於200 ℃就有發生熱失控的風險。圖11展示了10% SOC、25% SOC、50% SOC和100% SOC實驗過程中Tair溫度曲線。在本試驗中，黑色虛線框內所有溫度都大於或等於200 ℃。可以發現，無論是在25% SOC、50% SOC還是100% SOC下的試驗，電池周邊都監測到持續一定時間的高風險溫度。其中25% SOC下矽基負極體系實驗電池周邊也監測到了峰值在395.8 ℃，持續時間大約5 s的風險溫度時間段。因此，如果軟包電池組成的電池模組或電池系統內不設計安裝有效的熱阻斷措施，即使在25% SOC的低荷電態下發生熱失控，對周邊的電芯也具有非常大的熱安全威脅，極易誘發周邊的電池產生熱失控。
圖11 不同SOC的TSair溫度曲線圖
表3展示了矽基負極體系電池和石墨負極體系電池在不同SOC下，針刺觸發實驗電池熱失控後的質量損失資料。在本實驗中，SOC與失重比的關係曲線如圖12所示。可以發現，矽基負極體系電池針刺熱失控的失重量均值隨著電池SOC的增加而增加，即SOC越高，電池透過針刺觸發熱失控失去的重量越高。石墨負極體系電池針刺熱失控的失重比與矽基負極一致，熱失控失重量也隨著電池SOC的增加而增加。可以歸因為隨著電池SOC的增加，電池熱失控最高溫度隨之提高，電池內部的放熱反應更劇烈，電池熱失控總質量損失也有增加的趨勢，與吳唐琴等研究正極材料熱穩定性發現在0% SOC、25% SOC、50% SOC、75% SOC和100% SOC下熱失重分別為8.67%、10.56%、13.95% 15.86%和18.12%的結果一致。另外透過圖12可以看到，在相同SOC態下，矽基負極體系電池針刺觸發熱失控損失的重量比石墨負極體系電池高。Walker等研究表明，鋰離子電池在熱失控過程釋放的70%～80%的能量是由電池熱失控噴射物帶走的，熱失控失去的質量越多，熱失控的危害程度可能越大，因此可以推測相同SOC下，電池針刺試驗熱失控危害程度矽基負極可能大於石墨負極。
表3 不同SOC下重量損失計算結果
圖12 熱失控失重比均值與SOC的關係圖
3 結 論本文采用針刺試驗方法，以NCM811為正極活性物質，分別以矽基材料和石墨為負極活性物質的25 A·h軟包動力電池為物件，開展了不同SOC下針刺熱失控特性研究，結果如下。（1）矽基負極體系電池針刺實驗比石墨負極體系電池表現出了更劇烈的熱失控現象，即使在10% SOC，依然可見火星噴射；石墨負極體系電池25% SOC和10% SOC是實驗現象主要是冒煙。SOC越低，電池表面溫度達到最大值所需的時間越長。相同SOC下石墨負極體系電池所需時間比矽基負極體系電池更長。SOC為100%時，矽基負極體系電池和石墨負極體系電池針刺點表面附近到達最高溫度時長分別為13 s和19.5 s；針刺點反面到達最高溫度時長分別為15.5 s和20.1 s。（2）實驗中鋼針最高溫度隨SOC的增加而增加，熱失控越劇烈，鋼針最高溫度越大。矽基負極體系電池針刺實驗單位容量釋放的熱量隨著SOC的增加而增加，100% SOC和50% SOC實驗值接近，分別為14935.5 J和14520 J。SOC為100%時，石墨負極體系電池針刺實驗單位容量釋放的熱量為16791.8 J，約為50% SOC下單位容量釋放熱量的兩倍。（3）電池針刺實驗失重量隨著SOC的增加而增加，100% SOC的矽基負極體系電池失重比例最高，達到了75.2%，石墨負極體系電池100% SOC針刺實驗失重為54.7%。隨著鋰離子動力電池在公共交通、共享出行以及儲能產品中的大面積推廣應用，發生的熱失控安全事故也越來越多。對高能量密度的軟包動力電池熱失控特性進行系統地研究，提取熱失控關鍵現象及關鍵資料，對於提高熱失控災害發展的可預見性、消防安監等規則的制定具有重要參考價值，為電池系統熱管理及熱擴散防護設計提供重要的參考依據。
引用本文： 許輝勇,李遠宏,張志萍等.矽基負極軟包動力電池針刺熱失控特性研究[J].儲能科學與技術,2021,10(01):218-228.
XU Huiyong,LI Yuanhong,ZHANG Zhiping,et al.Thermal runaway characteristics of pouch cells with SiOx/graphite anodes for electric vehicles under a nail penetration test[J].Energy Storage Science and Technology,2021,10(01):218-228.
通訊作者：範亞飛，博士，主要研究動力和儲能電池測試評價及鋰離子電池熱失控機理和熱失控擴散路徑，E-mail：Yafei.fan@hotmail.com；胡仁宗，教授，博士生導師，主要研究鋰離子電池材料及其失效機理，E-mail：msrenzonghu@scut.edu.cn。