在特斯拉的引領下，18650電池在電動汽車中已經成為了一股重要的勢力，眾多品牌的電動汽車都採用了18650電池。相比於軟包和方形電池，18650電池經過二十多年的發展，不僅技術成熟，配套廠家眾多，同時作為一種標準化產品，其良品率要顯著高於其他形式的電池，因此18650電池在成本、可靠性上都比其他類型電池具有優勢。但是採用18650電池做動力電池包就不得不面臨一個問題——電池包內電池數量龐大，我們以特斯拉早期的電池包為例，整個電池包內的18650電池數量達到7000只左右，因此對熱管理系統提出了巨大挑戰。
可以通過以下動圖感受下熱失控時刻：
熱管理系統的一個重要的功能就是防止電池組內單體電池熱失控和熱失控的蔓延，這就需要我們掌握單體電池的熱失控中釋放的總熱量和電池噴發釋放的熱量的準確數據。近日，美國NASA旗下的約翰遜航空中心（JSC）的William Q. Walker（第一作者，通訊作者）採用一種特殊設計的量熱器對不同廠家、不同型號的18650鋰離子電池在熱失控中熱量釋放數據進行了測量，研究顯示電池的能量密度和電池的結構設計都對鋰離子電池的熱失控行為具有顯著的影響。
傳統的量熱裝置只能夠測量電池在熱失控中釋放出的總熱量，但是這無法滿足熱管理系統對熱失控數據準確性的要求，因此William Q. Walker設計了一種量熱裝置（如下圖所示），不但能夠對鋰離子電池在熱失控過程中釋放的總熱量進行測量，還能夠測量電池噴發物所釋放的熱量。該量熱器的結構如下圖所示，特殊的設計能夠滿足只有頂部防爆閥的18650電池，以及底部和頂部都有防爆閥的18650電池的熱失控測量。
實驗中測試的電池詳細信息如下圖所示，主要包含了LG18650-MJ1（3.43Ah）、LG 18650 test cell（3.35Ah）、三星18650-30Q（3.0Ah）和MoLiCEL18650-J（2.3Ah），其中MoLiCEL的電池分別採用了三種隔膜：1）20um厚的標準聚合物隔膜；2）25um厚的纖維素基Dreamweaver Silver隔膜；3）21um厚的纖維素基Dreamweaver Gold隔膜。LG18650 test cell部分電池採用帶有底部防爆閥（BV）設計的殼體結構，部分電池還內置了短路裝置（ISC），部分電池則採用了不同厚度的外殼（CT），其中部分採用了250um厚的標準殼，部分則採用了更薄的225um殼。
下圖為幾種電池在熱失控中每次實驗釋放的能量與平均值之間的偏差關係（每種電池都進行了多次實驗），從圖中我們能夠看到MOLiCEL的18650電池釋放的能量為37.4kJ，標準差為2.8kJ，三星18650-30Q電池釋放的能量為59.7kJ，標準差為3.5kJ，LG的18650 test cell釋放能量為63.3kJ，標準差為4.6kJ，LG的18650 MJ1電池釋放的能量為75.2kJ，標準差為6.6kJ。不難看出，電池的容量越高在熱失控中釋放出的能量也就越多，並且隨著電池能量密度的提高，單位容量釋放的能量也就越多，能量密度最低的MOLiCEL電池每Ah釋放的能量僅為15.8kJ，而能量密度最高的LG 3.5Ah電池每Ah釋放的能量則高達21.45kJ 。
下圖為採用普通標準聚合物隔膜S1的MOLiCEL電池和採用纖維素隔膜S2的MOLiCEL電池的熱失控曲線，從圖中能夠看到採用普通隔膜的電池在熱失控中釋放的能量要比纖維素隔膜少3.4kJ，當然這並不是說普通隔膜更為安全，這主要是因為纖維素隔膜的熱穩定溫度可以達到190℃以上，而普通聚合物隔膜的熱穩定溫度往往在150℃左右，這就導致採用纖維素隔膜的電池在觸發熱失控時需要更高的溫度，從而引起電池在熱失控中釋放更多熱量。
電池殼體厚度對於鋰離子電池的熱失控行為也有顯著的影響，首先是從熱失控的觸發難度上，從測試結果來看殼體厚度為250um厚的18650電池需要更多的熱量才能出發熱失控（250um厚18650電池加熱時間為107.2s，220um厚18650電池需要加熱88.1s），同時厚殼的電池在熱失控中釋放的能量也要比普通殼的電池少3.4kJ，但是在熱失控後電池剩餘重量方面厚殼電池要比薄殼電池少1.3g，這可能是因為較厚的殼體導致電池內部積聚了更大的壓力。
底部防爆閥設計也能夠顯著的改變鋰離子電池的熱失控中行為，從上圖中的兩條黑色虛線我們能夠注意到具有底部防爆閥設計的18650電池在熱失控中釋放的熱量要比沒有底部防爆閥設計的電池少3.9kJ，同時熱失控後我們稱量電池殘骸質量能夠發現，具有底部防爆閥設計的電池比普通電池質量重6.5g，表明具有底部防爆閥設計的電池在熱失控中被噴出的物質要明顯少於普通電池，這能夠顯著的減少電池組內熱失控擴散的風險。
下圖為不同類型電池在熱失控中釋放能量的途徑，從下圖a中能夠注意到LG的18650-MJ1電池熱失控釋放的能量為74.9kJ，其中21.7%通過外殼釋放，74.7%通過電池的上蓋噴發釋放，3.6%通過底部噴發釋放。從下圖d能夠看到，具有底部防爆閥和220um厚殼體的18650電池在熱失控中釋放的能量為61.8kJ，其中35.7%通過殼體釋放，40.4%通過電池頂部的防爆閥釋放，23.8%通過電池底部的防爆閥釋放，而沒有防爆閥的220um厚18650電池（下圖e）釋放的能量為66kJ，其中27.3%通過電池殼體釋放，71.9%通過電池上蓋的防爆閥釋放，0.8%通過電池底的防爆閥釋放。三星的18650-30Q電池熱失控釋放能量59.6kJ（下圖g），其中18%通過殼體釋放，79.8%通過電池上蓋的防爆閥釋放，2.2%的能量同多電池底部釋放。MOLiCEL的18650-J電池熱失控釋放能量為35.3kJ（普通隔膜，下圖h），其中50.3%通過殼體釋放，47.2%通過電池的上蓋釋放，2.6%通過電池的底部釋放。
William Q. Walker的研究顯示，在18650電池熱失控中僅有20-30%的能量是通過電池殼體釋放的，其他大部分能量都是通過防爆閥噴發釋放的。能量密度對於鋰離子電池的熱失控行為具有顯著的影響，能量密度更高的電池不僅在熱失控中釋放的總能量更多，單位容量釋放的能量也更多，此外電池的結構設計也對電池的熱失控行為有顯著的影響，具有底部防爆閥的設計的電池不僅熱失控中釋放的能量更少，從防爆閥噴出的物質量也更少一些，對於減少熱失控在電池組內的蔓延具有重要的意義。
本文主要參考以下文獻，文章僅用於對相關科學作品的介紹和評論，以及課堂教學和科學研究，不得作為商業用途。如有任何版權問題，請隨時與我們聯繫。
Decoupling of heat generated from ejected and non-ejected contents of 18650-format lithium-ion cells using statistical methods, Journal of Power Sources xxx (xxxx) xxx–xxx, William Q. Walker, John J. Darst, Donal P. Finegan, Gary A. Bayles, Kenneth L. Johnson, Eric C. Darcy, Steven L. Rickman
閱讀更多 新能源Leader 的文章
