电芯针刺实验失效机理分析

锂离子软包电池在便携式移动终端和新能源汽车等领域有着广阔的应用前景，但日益提升的能量密度要求也带来了潜在的安全风险和火灾隐患。如3C类电子终端起火、新能源汽车自燃等事故已经引起了行 业和社会的关注，并引发了公众对高能量密度锂离子电池安全性的担忧。

针刺测试是用刺针在适当的力度下对电池进行穿刺的一种锂电池安全性能测试方法。不同国家和地区的锂电池安全性测试标准可能略有差异，但其中不少标准都提到了应当通过针刺测试评估锂电池在受到外力穿刺后或内部枝晶刺穿隔膜后的安全性能。要求电芯不起火，不爆炸。

针刺失效模型

能够引起电池内部发生短路的情况分为四种： 
一：正极铝集流体与负极铜集流体 
二：正极铝集流体与负极石墨膜片
三：正极膜片与负极铜集流体
四：正极膜片与负极石墨膜片

其中正极铝集流体与负极石墨膜片接触产生的电阻抗最大，着火可能性最大。

失效机理分析

一：正极铝集流体与负极铜集流体短路： 类似于外部短路。当电池容量增大到相当大时，集流体本身能够承受的短路电流将使铝集流体融化。

二：正极铝集流体与负极膜片短路：

接触电阻小，通过的电流很大，容易在短时间内使阳极的温度升高到足够引起 LixC6和电解液、粘接剂的反应，从而导致电池热失控而着火燃烧。 

三：正极膜片与负极铜集流体短路：

正极的接触电阻大，并且热稳定性好。整个过程电池能量释放缓慢。

四：正极膜片与负极膜片短路：

正负极膜片的接触电阻很大， 产生的热量不足以使温度剧烈上升到足够引起阳极的热失控。

总的来说软包电池的针刺是金属刺针逐层刺穿正极、隔膜和负极，并连接形成内电路的过程。隔膜在一定程度上包裹刺针并阻隔正负极极片间的直接接触，因此针刺过程中大量电子是从满电的负极经刺针转移到正极，表现为电池的剧烈放电，即开路电压的下降，由于电池自身内阻远低于刺针与正负极极片的接触阻值，因此这一放电过程主要会在刺针与极片的接触界面产生大量欧姆热。剧烈的放热过程会在极片与刺针直接接触的局部位置引发两 个竞争反应，其一是接触部位的铜铝箔在高温下熔化，从而断开电芯内部的电子通路；其二是接触部位的隔膜受热收缩，导致更大面积的内部短路，从而引发热失控。

测试条件对针刺的影响总结：

针刺速度：

软包电池中，针刺速度过快，对针刺影响不大，但是针刺速度过慢会使得安全风险变差。圆柱电池在不同针刺速度下,电池的温升速度和最高温度相差不大。

针刺深度：

深度越深，温升越高，内短路越严重，起火失效风险越大。

针刺位置：

活性物质分布越少的地方，散热越快，通过针刺概率越大。

针刺SOC：

在一定SOC下，SOC越高，电芯失效风险越大

刺针直径：

需要辩证看待计算。直径越大,针刺时接触面积越大,短路电阻越小,电池会产生更快的温升,但是直径的增加又会带来热量传递增加。

针刺角度：

针刺角度不论30℃还是90℃对电芯针刺影响变化不大。

刺针材质：

如铜针，钢针，塑料针对比，铜针针刺短路分险最严重，钢针次之，塑料针基本不发生短路。