针刺测试，电芯该如何解决这一行业难题？

最近有一则新闻是小狗咬到充电宝导致屋内起火的事件，充电宝被咬穿充电宝的过程，与锂电池进行针刺测试的过程是一致。针刺的标准流程：是使用特定规格的针刺针（如直径3-8m的无蚀锈钢针），以一定的速度（如20mm/s-40mm/s）和角度（垂直于电池极板的方向）刺入电池内部。刺穿的过程像是手拿打火机往油箱里点火的动作，油箱的大小类比电芯容量，钢针的粗细是手上打火机能够点燃的火焰高度，这样一个由内而外破坏行为，很难想象油箱能够存活下来，同样对于锂电池也是无法承受的行为。

1.电池针刺主要面临的问题是什么？

视频中狗子用牙齿次穿电池，也为我们展示了宝贵的工况数据，陶瓷牙齿刺穿电池依然会导致起火，因此，针刺时使用的钢针导通正负极，并不是电池内部发生短路的主要原因，毕竟陶瓷是不导电。针刺起火的关键情况在于：钢针刺破电池的破损口，正极侧的铝箔与负极的活性物质接触，短路发生剧烈的放热反应，热量在局部位置的积累导致一系列的链式反应，最终表现出来的结果是电池发生严重的起火、爆炸现象。

铝箔与负极活性物质（100%SOC）发生短路，是四种短路模式中最严重。同时，铝金属也能够与锂金属发生合金反应，消耗活性锂形成锂铝固溶体合金，这也是为什么铝无法作为负极集流体的原因。尽管测试流程已经标准化，但电芯在针刺过程中到底会产生多少微观短路点却是难以衡量，更像是一个随机事件。如何减少产生微短处产生的概率？减少热量在局部区域快速、大量的积累，成为提高针刺通过率的关键路径。

2.针刺对电芯不同型形式的封装有什么影响？

选择不同电芯的封装形式（圆柱、方壳和软包）先天注定了针刺游戏的难度级别。1）圆柱电芯是地狱级难度：方壳内部的裸电芯是一个长方体形状，类似一本笔记本，那么将“笔记本”卷起来成为一个圆柱体，放入圆壳中变成一个更加紧凑的圆柱电池，那从侧面刺穿圆住电芯时，钢针刺穿过的电极层数多于方壳，造成更多的短路点。2）方壳由于壳体结构和电芯性能要求，注液系数通常比另外两种电芯封装形式更高，壳体内部存有更多电解液，导致可燃物质更多，释放的热量更大。3）软包算是三者中的简单模式，壳体为铝塑膜，针刺初始不会加剧针刺口的破坏程度，其次是能够加压化成和排除化成气体，电解液使用量少，界面性能更加稳定，针刺所导致的反应相对温和。

3.提高针刺通过率有什么办法？

1）铝箔集流体的改进

正极底涂和复合集流体是市面上比较成熟的解决方案：正极底涂是在铝箔上涂上单面厚度1-3um的导电层，通过覆盖住铝箔表面来减少刺穿时与负极活性物质接触概率。底涂的初衷是来改善磷酸铁锂和集流体的接触电阻，基于安全考量衍生出安全底涂的概念。底涂的效果与涂层厚度有直接关系，越厚安全性能越好，但能量密度和性能损失也随之而来；复合集流体则是在PP/PET上用物理气相沉积的方法镀上一层1-2um铝金属层，改善安全的角度有两个：a）塑料基膜能像弹簧一样拉回弯曲的铝毛刺，b）铝箔厚度仅为1um，延展出来的毛刺长度比普通16um铝箔要短，因此接触概率更低，这两个观点并无实际观测数据支持。复合集流体有更明显改善电池安全的数据表现，但也仅仅局限于能量密度和电池容量较小的状况下。

2）隔膜的改进

隔膜的改进方式有两种：a）增加隔膜厚度，机制与正极底涂相似；b）增加在隔膜基膜上陶瓷的涂布重量，通过更加致密的陶瓷颗粒来阻挡铝箔穿过隔膜的几率。市面上也有一些新型概念，通过提高基膜的抗刺穿能力，本质上提高其拉伸和抗断能力，确保基膜始终能把刺入的钢针和正极包覆住。

3）正负极的表面涂层

在正极或者负极的活性物质上额外涂上一层陶瓷：正极侧的作用更像是增加正极极片厚度的效果，负极侧通过降低活性材料暴露面积来减少接触概率。这只是从接触的一个角度来评估，实际上参与的环节还有减少界面反应等。

4）正极材料的选择

磷酸铁锂(LFP)比三元(NCM)材料具有更好的热稳定性，归功于橄榄石结构的稳定性，能够承受更高的温度，减少氧从晶格中脱出。三元材料对于不同镍含量其热稳定性也随之变化，镍的含量越高越不稳定。

电芯改善针刺的方式有很多，从材料、设计和结构上有非常多着手的点，组合起来又是数量级上的提升。改善安全的方案上很多是做“加法”工艺，需要额外的生产步骤，其次对于电芯电性能大部分是恶化的。但随着能量密度要求越来越高，安全的重要性会逐步抬升，介时好的方案将是尤其重要。