LG化学/松下/三星/三洋18650电池热失控防爆阀泄压过程

18650电池是直径为18mm，长度为65mm的圆柱形电池，是最普遍的锂离子电池。18650 电池的容量自最初生产以来一直在稳步增加，目前商用电池已达到 >3 Ah。随着容量的增加，电池失效期间产生热量和气体的速率和量也有上升。

电池刚性外壳使其成为压力容器，如果电池内的压力没有以受控的方式释放，那么电池可能会以爆炸的形式发生剧烈破裂。一般地在电池壳上会设计一个防爆阀，18650电池的防爆阀设计在电池的上盖之中，防爆阀还兼具了断路器的功能，在电池内部压力升高到一定程度时，防爆阀动作切断电流回路，当电池内部的压力进一步升高时，防爆阀结构被破坏，释放电池内部的压力，防止电池发生爆炸。

本文通过高速摄影装置对不同厂家的18650电池上盖在热失控中防爆阀的动作过程进行了拍摄，还原了热失控中18650电池防爆阀动作的全过程。

五种不同的商用18650电池规格和1种底部泻压的原型电池如表1所示。

LG、松下、三洋和三星的18650电池端盖和防爆阀的结构设计如图1所示，所有电池的防爆阀都包括带排气口的凸起顶盖（Top button）、有一圈环状的刻痕防爆片（CID vent disk）、密封绝缘圈（Seal insulator）和集流盘组成（极耳焊接在集流盘上）。当电池内部压力增加到一定程度时防爆阀会发生变形，与焊盘脱离，从而切断电流回路。当电池内部的压力继续升高到一定的值时，防爆阀被破坏从而电池泄压，防止电池爆炸。此外，LG、松下和三洋的电池上盖还包含PTC结构（正温度系数材料），当电池的温度上升时PTC材料的电阻急剧升高，从而阻止电流的继续升高，而三星电池由于采用倍率型设计（20A放电），因此并未设计PTC结构。此外，LG ICR18650-B4、松下和三洋电池卷芯中心有芯轴。

图1  各个厂家的防爆阀结构设计

对以上电池进行加热，热滥用引起热失控。采用同步加速器通过超高速X射线照相以MHz帧速率捕获电池在热失控过程中内部演化和防爆阀破裂过程。如图2所示，LG-S3、LG-B4 和三洋电池，在热失控期间表现出良好受控泄压和流体喷射过程，每种电池都显示出特征性的失效机制。

LG化学的LG-S3 和 LG-B4 电池包含相同设计的防爆阀，这两个电池的不同之处在于LG-B4电池的卷芯内部包含一个圆柱形心轴，并且容量略高。热失控过程中，电池卷芯放热分解并开始流化，喷射过程从LG-S3和LG-B4电池的卷芯的内层径向向外进，没有芯轴的LG-S3电池的内层首先向排风移动，一些材料积聚在电池的顶盖下方。

LG-B4和Sanyo电池中的芯轴从下到上都有一个狭缝，允许气体通过芯轴逸出，为气体从电池底部逸出到顶部提供了直接途径。

图2  a）LG-S3、b）LG-B4 和 c）三洋电池热失控后的 X 光照片

卷芯芯轴可以减轻了顶盖下方碎屑的堆积。然而，芯轴也会使防爆阀组件变形并刺穿顶盖。如图3所示，松下电池内的芯轴仅释放了来自电池底部的压力，为气体和流化材料从外壳中喷出提供了直接路径，芯轴本身没有发现碎屑，未破碎。这将改善压力释放并降低电池破裂的风险。

图3   a）三洋、b）松下和 c）三星电池失效后的3D重构图和相应 XZ 和 YZ 正交切片

各个电池详细的防爆阀动作过程如下方视频所示：

总之，高速X射线照相和CT的结合使用观察了18650电池防爆阀演化过程，电池热失控可能导致芯轴的几种类型故障：（1）内部物质受控喷射、电池爆裂、内部芯轴刺穿顶盖并逸出；（2）内部芯轴支撑电极组件，并为热失控过程中分解的流化材料提供一条通往排风口的路径；（3）芯轴的明显缺点是气体的高流速会导致其不和电极组件一起移动，有时会刺穿防爆阀，这可能是电池使用和运输过程中的危险。

同时，电池爆裂可能有两个原因：（1）当电极组件没有路径允许足够的气流到达排风口时，就会导致电极组件移动并堵塞通风口，这是电池破裂的主要原因。（2）当排风口设计不合理，本身不允许足够的气体流逸出时，内部压力会上升达到电池的爆破压力。第二种情况更可能发生在高容量电池中，其在热失控期间会产生更多的气体。

通过在 18650 电池的底部设计第二个通风口可以防止电池爆裂，该通风口在电极组件可能移动并堵塞通风口之前迅速释放压力。此时，电池两端的泄压装置可以保持气体逸出的开放通道，芯轴就变得多余。

原始文献：Donal P. Finegan, Eric Darcy, Matthew Keyser,etal. Identifying the Cause of Rupture of Li-Ion Batteries during Thermal Runaway, Adv. Sci. 2018, 5, 1700369