潘 逸，顾陈豪，王 瑜，罗 涛，郝 丽

(浙江南都电源动力股份有限公司，浙江杭州 310000)

锂电池受到钢针刺穿后可能会内短路而引发热失控，该现象属于锂电池热失控的一种机械诱因[1]。针刺时，电池的正负极片与钢针触碰而导通电子形成短路回路[2]，会产生较大电流，导致极片电阻大量产热，若隔膜融化，又会加剧内部短路。以往研究人员对电芯不同连接方式下的针刺探究较少，经验显示对电池模组针刺的危险性远高于对单个电芯针刺，因此，本文对多电芯组成模组后的针刺现象和失效机理进行了探究。

1 测试样品与实验方案

实验选用一款商业化20 Ah的磷酸铁锂软包电芯，正极活性物质为磷酸铁锂，负极为人造石墨。电芯充电到满电态后，再对多个单电芯进行串联或并联方式的极耳焊接，形成两串、三串、两并和三并的电池组，分别针刺并观察记录不同连接方式下针刺现象和温度的区别。为直观体现针刺时电芯不同位置发热量的区别，每个电芯表面的正极极耳附近、负极极耳附近、中心位置和底部位置均布置热电偶采集温度，中心位置即电芯表面钢针针刺处附近，底部为表面远离极耳的一侧。为最大程度避免监测的温度受到相邻电芯的干扰，两侧电芯表面的热电偶均朝外布置。选用5 mm 的钢针以25 mm/s的速度垂直电芯表面的几何中心位置刺穿电芯。

2 实验结果

2.1 单体电芯针刺结果

对满电的单电芯进行针刺，钢针垂直电芯中心位置刺入后，电芯无鼓胀、无冒烟。图1(a)为单电芯针刺时电芯表面温度及电压变化，电芯针刺处附近升温最快，随后温度一直保持最高。而正、负极附近和底部位置的温升几乎一致，与中心温度一直保持一定的差距。针刺时电压瞬间下降，但仅从3.35 V 降至3.30 V 左右，之后缓慢回升，随时间推移逐渐维持在一定值。

2.2 两并电芯针刺结果

对两只并联的满电电芯进行针刺，钢针垂直贯穿两只电芯，针刺后两电芯均无鼓胀、无冒烟。图1(b)为两并电芯针刺时两只电芯表面的温度变化，两只电芯中心位置的温升最快，后期温度逐渐平稳，第一只电芯的中心温度始终高于第二只电芯的中心温度，最高达59.8 ℃。此外，两只电芯的正、负极附近以及底部位置温度均相差不大，且远小于中心位置的温度。

2.3 两串电芯针刺结果

对两只串联的满电电芯进行针刺(第一只电芯正极与第二只负极焊接串联)，钢针从电芯中心位置刺穿两电芯，刺入后第一只电芯较快地发生鼓胀并冒烟，第二只电芯略微鼓胀但并无冒烟。图1(c)为两串电芯针刺时两只电芯表面的温度变化，温度远高于两并针刺时的温度，两只电芯的温度存在较大差异，第一只电芯的整体温度明显高于第二只电芯，且中心位置温度最高，达237.1 ℃，正极附近温度次之，高于负极附近温度，底部温度最低。第二只电芯温度整体较低，温度最高处为正负极附近，而非中心位置。

图1 单电芯、两并电芯、两串电芯针刺时电芯表面温度曲线

2.4 三并电芯针刺结果

对三只并联的满电电芯进行针刺，钢针贯穿三只电芯后，均无鼓胀、无冒烟。图2(a)为三并电芯针刺后各电芯的温度变化，中间第二只电芯的中心位置温升最快，且温度一直保持最高，最高时达90.7 ℃，温升次快的是第一只和第三只电芯的中心位置，第一只温度高于第三只。中间电芯的正负极附近和底部位置的温升一致，温度几乎无差异。温度最低的为第一只和第三只电芯的正负极附近和底部位置，均相差不多。

2.5 三串电芯针刺结果

对三只串联的满电电芯进行针刺(从第一只电芯正极开始串联)，刺穿三只电芯后，三只电芯均发生严重鼓胀，程度较为剧烈，并持续冒出大量的烟，但未起火。图2(b)为三串电芯针刺后电芯表面的温度变化，针刺后第二只电芯中心位置处温度急剧升高，在整个反应阶段温度均保持最高，峰值温度达408.9 ℃；温度次高的为正负极附近位置，而负极温度高于正极温度。其余位置中，第一、三只电芯的中心温度相对较高；第一只电芯的正极附近温度高于负极附近温度，而第三只电芯则相反；三只电芯底部的温度均较低。需注意的是，针刺过程中产生的大量烟雾会对监测温度造成一定扰动。

图2 三并电芯、三串电芯针刺时电芯表面温度曲线

2.6 各电芯针刺后外观

图3(a)～(e)依次为单电芯、两并、三并、两串和三串电芯针刺后的电芯外观。单电芯、两并和三并电芯针刺后外观上无异常，也均无鼓胀现象；两串和三串电芯针刺后，表面均因针刺时的高温及烟雾熏焦而变色，而两串电芯仅第一只外观变色，第二只仅鼓胀无变色，三串电芯在针刺后每只电芯均变焦黄，且电芯的侧边均有开裂。

图3 单电芯、两并、三并、两串和三串电芯针刺后的外观照片

3 结果分析与讨论

3.1 单电芯针刺分析

单电芯针刺时，电芯电压会出现突降和缓慢回弹现象，因钢针导通局部正负极片产生内短路现象，局部短路电流放电，导致电芯电压小范围内突降；电压回弹现象推测是因为钢针针刺周围的负极片上锂离子大部分已脱嵌，短路电流变小，极化减弱。

3.2 两并、三并针刺分析

两并和三并电芯针刺后的情况类似，温度均在持续缓慢上升，说明针刺后较长时间内电芯内部持续有内短路电流存在。三并电芯针刺时中间电芯的温度最高，可能因夹于中间导致散热最差，与两侧电芯有明显的温差。但三并针刺的第一只温度高于两并电芯的第一只，而两并针刺温度又高于单电芯针刺，因此电芯并联针刺时可能存在一种除了内短路电流之外的电流，使得并联针刺产生的热量大于单只电芯针刺的内短路产热，推测是并联针刺过程中还存在不同电芯之间由于电压差异而产生的环流电流[3]。

3.3 两串、三串针刺分析

串联针刺时温度明显比并联针刺高得多，故两种连接方式下针刺可能是两种完全不同的反应机理。而三串针刺时温度以及剧烈程度又远高于两串针刺，说明三串针刺时电芯流经了更大的短路电流；且每一只电芯极耳及针刺附近的温度会高于底部位置的温度，说明同一电芯不同位置的产热情况也不同。通过以上现象，再结合多只电芯间正负极相接的串联方式，可推测出钢针贯穿多只电芯时可能形成电芯短接下的外短路回路，即电芯由钢针串通形成首尾相接的短路现象，且外短路电流在流经钢针针刺处会有较大产热。

图4 为本文推理的三串针刺时外短路回路及电流流向图。中间电芯分别和两侧电芯通过钢针导通构成外短路回路，第一只电芯的正极和第二只电芯的负极串联，而将针刺处的钢针看作第一只电池的负极和第二只电池的正极连接，两只电芯正负极依次相连构成短路回路，且认为在钢针处仅有第一只电池的负极极片群和第二只电池的正极极片群参与了该外部短路。理论上，两侧的两只电芯通过钢针导通同样形成了短路回路，而此短路电流仍会流经中间电芯。

图4 三串电芯针刺短路电流模型

串联焊接的极耳上会流经外短路电流，故每只电芯串联焊接的极耳附近温度会高于另一只极耳附近，也符合两串和三串针刺时的温度现象。两串电芯针刺时的外短路回路数量仅为1 条，比三串针刺时短路回路少，故温度整体偏低。

4 实验验证分析

4.1 两并针刺环流验证

为了探究并联针刺时电芯之间是否有环流电流，将两只满电电芯的正极极耳通过一根电阻约为0.6 mΩ 的导线焊接，两负极极耳直接焊接，形成并联状态。在导线中放入两个方向相反的霍尔电流传感器，以监测可能存在的不同方向的环流电流。图5 为两并电芯针刺接线示意图与针刺时两只电芯之间的电流流向及电压曲线。

如图5(b)所示，刺入第一只电芯时，瞬间产生第二只电芯对第一只电芯充电的突变电流，峰值达5.9 A，随即消失；当钢针刺穿第二只电芯时，在较短的时间内，第一只电芯对第二只电芯充电，此后均是第二只电芯持续对第一只电芯充电，电流大约稳定在0.6 A。可能是第一只电芯内短路放电更严重，导致电压持续低于第二只电芯，故第二只电芯持续对第一只电芯进行充电。

图5 两并电芯针刺接线示意图与两并针刺电流流向和电压曲线

4.2 三并针刺环流验证

为探究三并电芯针刺的环流情况，对三只电芯进行并联，采取的方式为，电芯1 和2 的负极极耳用导线连接，电芯2和3 的负极直接焊接，电芯2 和3 的正极极耳用导线连接，电芯1 和2 的正极极耳直接焊接。在电芯1 和2 之间的导线上放入两个方向相反的霍尔电流传感器，在电芯2 和3 之间的导线上放入一个霍尔电流传感器，摆放方向为电流从电芯3流向电芯2。图6 为三并电芯接线示意图与针刺时电芯间的电流流向及电压曲线。

由图6(b)可知，从上到下三只电芯的电压是依次递增的，但差值较小；针刺后仅监测到电芯2、3 正极间的导线上持续存在电流，且一直维持在0.7～0.8 A；而电芯1、2 负极之间的导线上，除了针刺瞬间出现了极短时间的电流，此后再无电流出现。说明针刺后的静置阶段中，有电流持续从电芯3 的正极流向电芯1、2 的正极，而没有电流从电芯1 的负极流向电芯2、3 的负极以及电芯2 的负极流向电芯1 的负极，因此推测该三并针刺时环流电流并非从正-负极耳流过，可能是从正极-钢针处流过。而电流产生的原因是电芯3 电压相对最高，电芯3 给电芯1、2 充电。

图6 三并电芯针刺接线示意图与三并针刺电流流向和电压曲线

为了验证上述推测，再次进行三并针刺实验。并联方式为电芯1、2 的负极极耳直接焊接，再用一根导线连接电芯3的负极，而电芯3 的正极连出两根导线，分别与电芯1、2 的正极极耳连接。将3 只霍尔电流传感器分别置于每根导线中，设置传感器的方向为电芯3 正极流向电芯1、2 的正极以及电芯1、2 的负极流向电芯3 的负极。图7 为三并电芯再次针刺的接线示意图与三只电芯间的电流流向及电压曲线。

由图7(b)可知，电芯2 的电压一直最低，电芯1 的电压居中，电芯3 的电压一直最高。而三根导线中仅监测到从电芯3的正极流向电芯2 正极的电流，并无电芯3 正极流向电芯1 正极的电流以及从电芯1、2 负极流向电芯3 负极的电流。该电流情况再次表明三并针刺时环流并不从正-负极耳经过，推测也是从正极-钢针处流过；并且此次针刺时，电压最高的电芯3 给电压最低的电芯2 充电，而电芯1 可能也对电芯2 进行充电，该电流若存在，则从电芯3 与电芯2 正极之间的导线流过。与前次实验进行对比，发现环流电流大小与电芯间电压差值相关，电压差值越大，则环流电流更大。

图7 三并电芯再次针刺实验接线图与三并针刺电流流向和电压曲线

两次实验均验证了环流电流的存在，并且环流电流可能是从正极-钢针处流过，即钢针在电芯内接触到的电芯负极极片群一同构成了电芯的新负极，通过正极-新负极的环流回路，高电压电芯给低电压电芯进行充电。但并非表明三并针刺环流只能从正极-钢针流过，可能也与针刺的位置、距离等因素有关，未来将继续探究。

4.3 两串针刺外短路电流验证

为探究电芯串联针刺时是否存在外短路电流及该电流的大小，将两只电芯用电阻约为0.6 mΩ的导线进行串联，第一只电芯的正极与第二只电芯的负极串联，导线上置入一个霍尔电流传感器，设置其方向为电流从第一只的正极流向第二只的负极，即符合图4 所推测的电流流向。图8 为两串电芯针刺接线示意图与针刺时两只电芯间的电流情况及电压曲线。

图8 两串电芯针刺接线示意图与两串针刺电流流向和电压曲线

钢针刺穿瞬间，两只电芯的电压均发生突降，同时导线上瞬间产生一个极大的短路电流，峰值达461.3 A，该电流仅持续约7 s 即大幅减小至100 A 以下。随后第一只电芯的电压发生一定的回弹，从2.23 V 回弹至2.78 V 后又逐渐下降，第二只电芯的电压则持续降低。当外短路电流持续减小至0 A后，两只电芯的电压也逐渐减小至0 V。电流和电压的变化也符合实验现象，针刺短时间内第一只电芯发生鼓胀及冒烟，温度也明显高于第二只电芯，即能解释第一只电芯电压回弹的原因：温度骤升后，导致内阻快速减小，电压U=E-Ir，内阻r减小，同时电流I也减小，故电压会有明显的回弹。至于两串电芯针刺时，两只电芯失效程度有差异的现象，仍需将来更深入的探究。

4.4 三串针刺外短路电流验证

探究三串电芯针刺的外短路电流情况，第一只电芯的正极通过导线与第二只电芯的负极串联，第二只电芯正极通过导线与第三只电芯负极串联，两根导线中各接入一个霍尔电流传感器，设置方向为电流从第一只电芯流向第二只电芯，再流向第三只电芯。图9 为三串电芯针刺接线示意图与针刺时各电芯之间的电流情况及电压曲线。

图9 三串电芯针刺接线示意图与三串针刺电流流向和电压曲线

钢针刺穿电芯瞬间，三只电芯的电压即发生突降，两根导线上瞬间产生一个极大的电流，监测到从电芯1 正极流到电芯2 负极的电流最大值达630 A，从电芯2 正极流向电芯3负极的电流最大值达756 A。与两串针刺时相似，电芯1、2 的电压瞬间大幅度下降后又出现回弹现象，回弹仅持续7 s，便又开始回落。根据前文推测的三串针刺外短路电流情况，知第二只电芯流经的电流最大，故发热最严重，这点从电压下降曲线中可验证，电芯2 电压明显快于电芯1、3 降到0 V，失效最快。

5 总结

本文通过对不同连接方式的电池组进行针刺，发现串联电芯进行针刺时，电芯温度以及反应剧烈程度都比并联电芯针刺时高得多，对电芯表面不同位置的温度进行对比后，提出合理解释，串联针刺温度高是因存在较大外短路电流，尤其是三串针刺时的中间电芯，流经的外短路电流最大，表面温度最高。并联电芯进行针刺时，温度明显高于单个电芯针刺，分析是因电芯之间存在压差，进而存在环流电流。本文再次通过实验验证上述推测，监测到并联电芯针刺存在环流电流，且环流电流可能流经钢针；串联电芯针刺时存在较大的外短路电流，两串针刺时达到461.3 A，三串针刺时电流更大，分别达到了630 和756 A。