锂离子池针刺实验

一、针刺实验是什么，有什么意义？

锂电池的针刺试验是一种测试锂离子电池内部短路承受能力的安全性测试，可以反映电池的安全性能。因为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地反映电池短路的发生情况。

针刺测试的目的是确保电池包在遭受针刺时能够安全地工作，而不引发灾难性后果。通过该测试，可以评估电池包在面对潜在的针刺风险时的表现，并为设计和改进提供有价值的指导。

二、针刺实验的步骤

针刺实验的国标测试流程如下：

先将电池充满电，用Φ5mm～Φ8mm的耐高温钢针，以（25±5）mm/s的速度，从垂直于蓄电池极板的方向贯穿，贯穿位置宜靠近所刺面的几何中心，钢针停留在蓄电池中观察1h。电池不起火、不爆炸才算合格。

三、针刺触发电池热失控的原理

当锂离子电池发生针刺滥用时，会造成电池内部正负极的直接短路（短路模式包括正极-负极、正极集流体-负极、负极集流体-正极、正极集流体-负极集流体）。当其短路时，会产生巨大的焦耳热，造成电池迅速升温。

当电池温度上升至80℃-120℃时，此时负极表面热稳定性较差的SEI开始分解，分解方程式为：

SEI分解后又会造还原性强的石墨负极与电解液直接接触，进入SEI分解-重新生成-再分解的循环过程，使得电解液不断分解产热。

在上述反应的不断产热情况下，温度进一步升高，当温度升高至隔膜融毁温度时，隔膜收缩、熔断，导致正负极活性物质直接接触扩大短路面积，产生更多的热量。随后正极材料开始分解，生成的氧气与电解液开始剧烈反应，并伴随着电解液，粘结剂，外壳包装的反应，温升速率急剧上升，进入热失控状态。

综上，电池在针刺的作用下短时间发生剧烈内部短路，当电池壳体无法承受电池产生的热量和压力时，内部化学物质会瞬间喷射，导致冒烟、起火、甚至爆炸。

四、针刺实验的影响因素

1、荷电状态

显然，锂离子电池的荷电状态SOC对电池的针刺结果有明显的影响。一方面锂电池在高SOC状态下电压更高，针刺内部短路情况下初始电流更高，发热量也更多；另一方面高SOC意味着电池具有更多的能量，针刺时放出的热量更多，也更易发生热失控。

2、针刺速度

针刺速度越快，针越快贯穿电池，电池内短路也越严重，所以按理来说针刺速率越快，越容易出现热失控。刘仕强等人实际研究了针刺速率对圆柱形电池和软包电池的影响，结果显示针刺速率对圆柱形电池的针刺结果影响不大，而对叠片型的软包电池的针刺结果影响较大。叠片型软包电池的针刺速度越快，越易发生热失控。作者给出的解释是，当针刺速率较低时，隔膜良好的延展性导致在针刺过程中难以刺穿，可以较好地包覆在针的表面起到保护作用，防止其短路，当针刺速率较大时，隔膜难以保证将钢针完全包住，内短路风险增加。

3、接触电阻

针刺的过程中热量的产生与针和电极之间的接触电阻有关，接触电阻局部热量的增加和最大温度，关系到电池是否发生热失控。针刺过程中，接触电阻越小，放电电流越大，局部产生的热量越高，更容易发生热失控。然而每次针刺实验接触电阻具有随机性，不好评估，这一点可能也是针刺实验结果重复性差的原因之一。

4、针的内阻

原理同上，内阻越小，短路电流越大，产热也越多。显然，针的直径越大，其材质电导率越高，则对应的内阻越小，针刺更易发生热失控。

5、针刺深度

随着针刺深度的增加，会有更多电极层发生短路，越容易引起电池燃烧和爆炸，即针刺深度越深，越易热失控。