對于鋰離子電池而言，熱失控是最嚴重的安全事故。鋰離子電池熱失控源于產熱速率遠高于散熱速率，大量的熱量在鋰離子電池內部積累，引起鋰離子電池溫度的快速升高，導致隔膜收縮、熔化，正負極活性物質分解等自發(fā)的放熱反應，引起鋰離子電池起火和爆炸。避免熱失控發(fā)生是無數(shù)的鋰離子電池設計者們追求的終極目標，然而要達到這一目標，首先需要對鋰離子電池熱失控過程的反應歷程有清晰和全面的認識，但是鋰離子電池的密封結構是阻礙我們的第一道關卡，全密封的結構設計讓鋰離子電池內部反應的觀測變的非常困難。其次，熱失控中的高溫是阻礙我們的第二道關卡，上千度的高溫將可能留存的證據(jù)焚燒殆盡。最后，熱失控的高速度是阻礙我們的第三道關卡，熱失控中鋰離子發(fā)生爆炸的時間往往不足0.01s，這也讓跟蹤其中的反應過程變的尤為的困難。

 

        第一道關卡：密封

 

        首先我們來看第一道關卡，鋰離子電池一般采用方形、圓柱形硬殼密封結構或者軟包密封結構，共同特點是外部的探測設備很難進入到鋰離子電池內部，因此要實現(xiàn)對鋰離子電池在熱失控中內部反應的跟蹤，首先要解決這一問題。解決這一問題的思路有兩個：

 

        一、內部植入。我們可以在鋰離子電池內部置入熱電偶，實時跟蹤熱失控中鋰離子電池內部溫度變化，我們也可以通過在鋰離子電池內部置入FBG纖維檢測器的方式對鋰離子電池在熱失控中的溫度和壓力變化進行跟蹤分析，這也是目前應用比較廣泛的方式。

 

        二、透視技術。鋰離子電池的密封結構雖然能夠阻擋可見光，但是對于高能射線技術卻無法阻擋，因此采用高能射線和粒子對鋰離子電池在熱失控中的行為進行跟蹤也是一種非常有效的方法，例如我們之前就曾經介紹過倫敦城市學院的Donal P. Finegan等人就通過高速的X射線攝影裝置對鋰離子電池在熱失控中的內部反應過程進行了全面的跟蹤，揭示了在熱失控過程中18650電池的防爆閥的工作原理。中子不帶電荷，因此穿透能力非常強，近年來也廣泛的被用于鋰離子電池內部反應機理的研究，例如德國博世公司的工程師們就利用中子衍射技術對電解液在鋰離子電池內部的浸潤的過程進行了跟蹤和研究，通過中子衍射技術我們“直接看到”了電解液在鋰離子電池電芯中的浸潤過程，因此中子衍射技術也非常有潛力應用在鋰離子電池熱失控過程的研究中。

 

 

        第二道關卡：高溫

 

        鋰離子電池熱失控時，儲存在鋰離子電池內部的化學能在短時間內大量的釋放，產熱速度遠遠高于鋰離子電池的散熱速率，因此導致鋰離子電池在短時間內溫度快速升高，研究表明鋰離子電池在熱失控中溫度可達1000℃以上，這甚至會將鋰離子電池內部的銅箔熔化（Cu的熔點為1085℃），極端的高溫將所有可能留存的證據(jù)全部付之一炬，因此我們很難從熱失控后的鋰離子電池殘骸推斷熱失控的原因。極速冷卻可以有效的解決這一問題，例如之前我們曾經報道過清華大學的歐陽明高教授將熱失控中的電池放入液氮之中，為鋰離子電池快速降溫，從而實現(xiàn)了對“第一案發(fā)現(xiàn)場”的證據(jù)固定，這也幫助歐陽教授發(fā)現(xiàn)即便是在隔膜沒有發(fā)生熔化和收縮的情況下，鋰離子電池仍然可能通過O2在正負極之間的“穿梭”導致鋰離子電池熱失控，這也為熱失控的研究開了一扇嶄新的大門。

 

        第三道關卡：高速

 

        鋰離子電池在熱失控中反應速度非�？�，特別是在熱失控發(fā)生爆炸時，反應時間往往小于0.01s，這也導致大多數(shù)的手段往往由于時間精度不夠引起觀測的不準確，為了解決這一問題，X射線高速攝影技術隆重出場，DonalP. Finegan等人為了研究在針刺實驗中鋰離子電池內部的反應過程，采用的X射線高速攝影技術的幀率就達到了2000fps（分辨率10um）和5130fps（分辨率20um），在如此高的幀率下我們能夠基本清楚的看到熱失控的全部反應歷程，但是即便是如此高的幀率仍然難以拍攝到鋰離子電池的爆炸瞬間的反應過程（時間往往小于0.01s），這就需要同步輻射技術登場了。同步輻射光源的強度要遠遠高于普通的X射線，因此能夠實現(xiàn)更短的曝光時間，歐洲同步輻射中心通過同步輻射光源使得曝光的幀率達到了驚人的每秒數(shù)百萬幀，從而實現(xiàn)了對玻璃破碎、起弧等過程進的觀測。在同步輻射技術的幫助下，DonalP. Finegan成功的對18650電池爆炸瞬間進行了觀測，X射線拍攝速度更是達到了20272幀/秒，成功的觀察到了在爆炸過程中18650電池的防爆閥是如何工作的。

 

        鋰離子電池熱失控嚴重威脅著使用者的生命和財產安全，因此對熱失控的機理的研究就顯得尤為重要，以往由于實驗條件的限制，使得我們只能夠通過外殼溫度和電池電壓變化的情況間接的推斷鋰離子電池內部的一些反應。技術的進步不僅僅讓我們能夠實時的檢測到鋰離子電池內部溫度和壓力的變化，高速攝影技術的加持更是讓我們能夠直觀的觀察到熱失控中鋰離子電池內部的高速反應過程，這對于我們認識鋰離子電池的反應機理具有非常重要的意義，也為更加安全的鋰離子電池設計提供了指導。