熱失控是鋰離子電池最嚴重的安全事故，儲存在鋰離子電池內(nèi)部的電能和化學(xué)能在短時間內(nèi)大量釋放，使得鋰離子電池內(nèi)部的溫度甚至能夠達到900℃以上，同時熱失控中電解液、活性物質(zhì)分解出現(xiàn)的大量氣體會導(dǎo)致電池內(nèi)部的壓力急劇升高，甚至引起鋰離子電池的爆炸。為了保證在鋰離子電池的安全性，通常我們會在電池殼上設(shè)計一個防爆閥，在壓力過高時能夠及時被破壞，釋放電池內(nèi)部的壓力，防止熱失控中電池發(fā)生爆炸。

關(guān)于18650電池而言，防爆閥設(shè)計在電池的上蓋之中，防爆閥還兼具了斷路器的功能，在電池內(nèi)部壓力升高到一定程度時，防爆閥動作切斷電流回路，當電池內(nèi)部的壓力進一步升高時，防爆閥結(jié)構(gòu)被破壞，釋放電池內(nèi)部的壓力，防止電池發(fā)生爆炸。之前我們重要是從原理上了解防爆閥的設(shè)計，由于18650電池上蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計讓我們很難直接看到在熱失控的過程中防爆閥動作過程，近日倫敦城市學(xué)院的DonalP.Finegan（第一作者）和PaulR.Shearing（通訊作者）通過高速攝影裝置對不同廠家的18650電池上蓋在熱失控中防爆閥的動作過程進行了拍攝，還原了熱失控中18650電池防爆閥動作的全過程。

相關(guān)研究顯示熱失控一旦發(fā)生，熱失控可能會在2s之內(nèi)蔓延到整個18650電池，因此為了能夠更好的觀察整個熱失控過程，要每秒為18650電池拍攝1000張以上的X光照片，而電池的爆炸時間小于0.01s，這就要更高的拍攝速度。為了滿足這一苛刻的要求，DonalP.Finegan采用歐洲同步輻射實驗室的設(shè)備對18650電池防爆閥的動作過程進行了拍攝，該設(shè)備曾經(jīng)對保險絲的熔斷起弧過程進行了拍攝，其分辨率達到了每秒鐘百萬次拍攝的級別。

試驗總共對來自LG、松下、三星和三洋的5款18650電池和一款具有雙防爆閥新型設(shè)計的18650電池進行研究（如下表所示），5種電池的正負極材料分別采用NMC、NCA、LMO和LCO混合，用來驗證不同的體系和電池結(jié)構(gòu)對防爆閥安全性的影響。

LG、松下、三洋和三星的18650電池上蓋和防爆閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖所示，從圖中我們能夠注意到所有的防爆閥都通過凸起結(jié)構(gòu)與焊盤相連（極耳焊接在焊盤上），當電池內(nèi)部壓力升高到一定程度時防爆閥會發(fā)生變形，與焊盤脫離，從而切斷電流回路。同時我們也能夠觀察到所有的防爆閥結(jié)構(gòu)上都有一圈環(huán)狀的刻痕，當電池內(nèi)部的壓力繼續(xù)升高到一定的值時，防爆閥被破壞電池泄壓，防止電池爆炸。此外，在LG、松下和三洋的電池上蓋種還包含PTC結(jié)構(gòu)（正溫度系數(shù)材料），當電池的溫度上升時PTC材料的電阻急劇升高，從而阻止電流的繼續(xù)升高，而三星電池由于采用倍率型設(shè)計（20A放電），因此并未設(shè)計PTC結(jié)構(gòu)。

下圖為通過高速相機（每秒2000張）拍攝的LG的兩款電池和三洋電池的防爆閥泄壓過程，從下圖a和b中能夠注意到雖然LG-S3和LG-B4具有相同的防爆閥結(jié)構(gòu)設(shè)計，但是由于LG-B4電池內(nèi)部具有中心針，因此在熱失控中兩個電池的行為并不相同。關(guān)于S3而言，由于沒有中心針的支撐，電芯向中心塌縮，在快速流動氣體的帶動下，大量電芯上的活性物質(zhì)被撕扯下來，隨氣流噴到電池外部（下圖a的1.4545s處）。而B4電池由于電芯中央具有中心針，因此在氣流的用途下，中心針向其中一側(cè)移動，減少了卷芯針傾斜的一側(cè)的活性物質(zhì)撕裂的情況，卻導(dǎo)致了另一側(cè)電極撕裂的加劇。

從上面的分析不難看出18650電芯內(nèi)部的中心針關(guān)于電池在熱失控中的行為有著顯著的影響，從下圖b和c我們能夠注意到在熱失控出現(xiàn)的氣體推動下，LG-B4和三洋電池的中心針都出現(xiàn)了明顯的上移，中心針的存在防止了電芯向中心塌縮，為氣體擴散供應(yīng)了足夠的擴散通道，減少了氣體噴發(fā)時帶出的正負極活性物質(zhì)，降低了熱失控向周圍電池擴散的風險。