在特斯拉的引領(lǐng)下，18650電池在電動汽車中已經(jīng)成為了一股重要的勢力，眾多品牌的電動汽車都采用了18650電池。相比于軟包和方形電池，18650電池經(jīng)過二十多年的發(fā)展，不僅技術(shù)成熟，配套廠家眾多，同時(shí)作為一種標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，其良品率要顯著高于其他形式的電池，因此18650電池在成本、可靠性上都比其他類型電池具有優(yōu)勢。但是采用18650電池做動力鋰電池包就不得不面對一個(gè)問題——電池包內(nèi)電池?cái)?shù)量龐大，我們以特斯拉早期的電池包為例，整個(gè)電池包內(nèi)的18650電池?cái)?shù)量達(dá)到7000只左右，因此對熱管理系統(tǒng)提出了巨大挑戰(zhàn)。

通過以下動圖感受下熱失控時(shí)刻：

熱管理系統(tǒng)的一個(gè)重要的功能就是防止電池組內(nèi)單體電池?zé)崾Э睾蜔崾Э氐穆?，這就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(fā)釋放的熱量的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。近日，美國NASA旗下的約翰遜特種中心（JSC）的WilliamQ.Walker（第一作者，通訊作者）采用一種特殊設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)進(jìn)行了測量，研究顯示電池的能量密度和電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都對鋰離子電池的熱失控行為具有顯著的影響。

傳統(tǒng)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(tǒng)對熱失控?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確性的要求，因此WilliamQ.Walker設(shè)計(jì)了一種量熱裝置（如下圖所示），不但能夠?qū)︿囯x子電池在熱失控過程中釋放的總熱量進(jìn)行測量，還能夠測量電池噴發(fā)物所釋放的熱量。該量熱器的結(jié)構(gòu)如下圖所示，特殊的設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)中測試的電池詳細(xì)信息如下圖所示，重要包含了LG18650-MJ1（3.43Ah）、LG18650testcell（3.35Ah）、三星18650-30Q（3.0Ah）和MoLiCEL18650-J（2.3Ah），其中MoLiCEL的電池分別采用了三種隔膜：1）20um厚的標(biāo)準(zhǔn)聚合物隔膜；2）25um厚的纖維素基DreamweaverSilver隔膜；3）21um厚的纖維素基DreamweaverGold隔膜。LG18650testcell部分電池采用帶有底部防爆閥（BV）設(shè)計(jì)的殼體結(jié)構(gòu)，部分電池還內(nèi)置了短路裝置（ISC），部分電池則采用了不同厚度的外殼（CT），其中部分采用了250um厚的標(biāo)準(zhǔn)殼，部分則采用了更薄的225um殼。

下圖為幾種電池在熱失控中每次實(shí)驗(yàn)釋放的能量與平均值之間的偏差關(guān)系（每種電池都進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)），從圖中我們能夠看到MOLiCEL的18650電池釋放的能量為37.4kJ，標(biāo)準(zhǔn)差為2.8kJ，三星18650-30Q電池釋放的能量為59.7kJ，標(biāo)準(zhǔn)差為3.5kJ，LG的18650testcell釋放能量為63.3kJ，標(biāo)準(zhǔn)差為4.6kJ，LG的18650MJ1電池釋放的能量為75.2kJ，標(biāo)準(zhǔn)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，并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LG3.5Ah電池每Ah釋放的能量則高達(dá)21.45kJ。

下圖為采用普通標(biāo)準(zhǔn)聚合物隔膜S1的MOLiCEL電池和采用纖維素隔膜S2的MOLiCEL電池的熱失控曲線，從圖中能夠看到采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(dāng)然這并不是說普通隔膜更為安全，這重要是因?yàn)槔w維素隔膜的熱穩(wěn)定溫度可以達(dá)到190℃以上，而普通聚合物隔膜的熱穩(wěn)定溫度往往在150℃左右，這就導(dǎo)致采用纖維素隔膜的電池在觸發(fā)熱失控時(shí)要更高的溫度，從而引起電池在熱失控中釋放更多熱量。

電池殼體厚度關(guān)于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(fā)難度上，從測試結(jié)果來看殼體厚度為250um厚的18650電池要更多的熱量才能出發(fā)熱失控（250um厚18650電池加熱時(shí)間為107.2s，220um厚18650電池要加熱88.1s），同時(shí)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，但是在熱失控后電池剩余重量方面厚殼電池要比薄殼電池少1.3g，這可能是因?yàn)檩^厚的殼體導(dǎo)致電池內(nèi)部積聚了更大的壓力。

底部防爆閥設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的18650電池在熱失控中釋放的熱量要比沒有底部防爆閥設(shè)計(jì)的電池少3.9kJ，同時(shí)熱失控后我們稱量電池殘骸質(zhì)量能夠發(fā)現(xiàn)，具有底部防爆閥設(shè)計(jì)的電池比普通電池質(zhì)量重6.5g，表明具有底部防爆閥設(shè)計(jì)的電池在熱失控中被噴出的物質(zhì)要明顯少于普通電池，這能夠顯著的減少電池組內(nèi)熱失控?cái)U(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)。

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?zé)崾Э蒯尫诺哪芰繛?4.9kJ，其中21.7%通過外殼釋放，74.7%通過電池的上蓋噴發(fā)釋放，3.6%通過底部噴發(fā)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?zé)崾Э蒯尫拍芰?9.6kJ（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?zé)崾Э蒯尫拍芰繛?5.3kJ（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。

WilliamQ.Walker的研究顯示，在18650電池?zé)崾Э刂袃H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(fā)釋放的。能量密度關(guān)于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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(zhì)量也更少一些，關(guān)于減少熱失控在電池組內(nèi)的蔓延具有重要的意義。