鋰電網訊：鋰離子電池一旦發生熱失控會嚴重的威脅到使用者的生命和財產安全，因此如何防止熱失控發生是所有鋰離子電池設計者的終極目標。然而，要從設計上杜絕熱失控的發生就需要從根源上徹底了解清楚在熱失控過程中鋰離子電池內部的反應過程。但鋰離子電池熱失控反應速度快，溫度高，同時受限于鋰離子電池的密封結構，我們很難直觀并且準確的觀察到鋰離子電池熱失控的反應過程。
X射線具有非常強的穿透能力，能夠穿過鋰離子電池的外殼，對鋰離子電池的內部結構進行觀測，特別是斷層掃描技術讓我們能夠直接生成鋰離子電池三維圖像，但是通常X射線成像比較緩慢，無法在鋰離子電池熱失控的過程中對鋰離子電池內部的結構變化進行跟蹤。同步輻射技術的出現大大提高了X射線的能量，從而有效的降低了曝光所需要的時間，因此極大的提高了成像速度。倫敦城市學院的Donal P. Finegan（第一作者）等人利用同步輻射技術大幅提高了CT掃描的速度，對熱失控過程中LG 18650電池內部的結構變化進行了深入的了解和研究。
實驗中Donal P. Finegan采用了LG的兩款18650電池作為研究對象（容量分別為2.2Ah和2.6Ah），通過歐洲同步輻射中心的同步輻射光源的應用Donal P. Finegan將CT的采用速度提高到了1.25Hz和2.5Hz，而普通的二維拍攝速度則達到了1250Hz，這也讓我們首次“看到”了熱失控產氣和高溫對鋰離子電池結構的影響。
實驗中Donal P. Finegan采用高溫法分別將兩只LG的18650電池觸發熱失控（如上圖所示），其中2.6Ah電池電芯中間加入了芯骨，能夠起到支撐作用，有利于提升鋰離子電池的安全性，而2.2Ah電池則沒有加入芯骨。作者采用熱成像儀對熱失控過程中電池溫度變化進行了跟蹤（2.6Ah電池為視頻1，2.2Ah電池為視頻2）。從視頻中我們能夠看到開始加熱的時候，2.6Ah電池的溫度呈現緩慢上升的趨勢，在168s時電池外殼溫度上升到230℃，然后電池的溫度開始快速升高超過260℃（熱成像儀的最高觀測溫度為260℃），隨后在非常短的時間內，隨后由于電池內部氣體壓力的增加，電池內部產生的氣體和電極的分解產物從電池上蓋的位置噴出，電池發生熱失控。2.2Ah電池發生熱失控的時間為加熱開始后的217s。
2.6Ah電池熱失控瞬間熱成像動圖
2.2Ah電池熱失控瞬間熱成像動圖
為了分析熱失控發生過程中LG電池內部結構的變化，DonalP. Finegan還采用高速攝CT技術對熱失控觸發過程中2.6Ah電池（視頻3）和2.2Ah電池（視頻4）的內部三維結構進行了掃描和重建。2.6Ah電池由于電芯內部具有芯骨，因此理論上能夠對電芯起到支撐作用，防止電芯在熱失控過程中發生塌陷，從下圖2.6Ah電池在熱失控發生前瞬間的CT圖像能夠看到大部分電芯的位置仍然保持完好，但是在電芯中央靠近芯骨的位置電芯結構發生了明顯的變形，這可能是由于局部的副反應產氣引起的正負極分離造成的。
芯骨對于電芯結構的穩定作用我們可以從下面的兩張圖片中得到答案，在下圖a中我們能夠看到由于電芯中間存在芯骨，因此在電池發生泄壓后電芯的結構沒有發生明顯的破壞，但是下圖b中我們能夠看到由于沒有芯骨的支撐，在電池泄壓發生后電芯的結構發生了明顯的破壞。這主要是因為在電池泄壓發生之前在正負極極片之間就已經積累了不少的氣體，因此在電池防爆閥開啟后，這些氣體就會沿著阻力最小的位置排出，從而導致沒有支撐的電芯發生了顯著的變形，電芯的變形也導致了電池發生短路的風險大大增加。
下圖為2.6Ah電池在熱失控發生過程中的高速X射線照片（1250張/秒），從圖中能夠看到了熱失控首先從電池的中心位置開始發生，然后逐漸向電池的外部進行擴散（視頻5）。從圖中能夠看到熱失控開始的時候，Cu箔還能夠保持完整，引導反應的產物向電池的上部移動，但是隨著熱失控溫度的持續升高Cu箔也發生了熔化（熔點1085℃），并凝固成為金屬珠。
動圖看一下
相比于2.6Ah電池熱失控在電池內部緩慢擴散，2.2Ah電池的熱失控過程就要顯得簡單粗暴的多，在217s左右熱失控開始后不到0.1s的時間里鋰電池內的電極和活性物質就從電池內部噴了出去，這可能是由于向上移動的電芯堵住了電池上蓋的泄壓閥，從而導致電池內部的壓力急劇上升，引起電池爆炸。
動圖看一下
下圖為2.6Ah鋰電池在熱失控后利用CT掃描技術重建的內部結構，從圖中可以看到在發生熱失控后鋰離子電池的內部結構已經被完全破壞，其中黃色的部分為Cu，我們能夠觀察到在熱失控后電芯內部產生了大量的銅珠，這是由銅箔熔化后再凝固后形成了，這表明在熱失控發生時鋰離子電池內部的溫度要超過1085℃（Cu的熔點）
下圖為2.2Ah電池熱失控后的三維重建模型，從圖中能夠看到大多數銅箔都維持了最初的形貌，只有少量的銅箔發生熔化，在電池內部產生了少量的比較小的銅珠，這主要是因為熱失控發生后該電池在短時間內就發生了噴發，活性物質和分解產物等在短時間內從電芯中噴出，也阻止了電池內部溫度的進一步增加。
Donal P. Finegan的工作讓我們看到了18650電池熱失控過程中鋰離子電池內部的反應歷程，該研究工作也表明了鋰電池內部的結構也對鋰離子電池熱失控的行為有著顯著的影響。內部缺少支撐的電芯在電極之間的氣體釋放時更容易引起電芯的變形，導致電芯更容易發生短路，因此更容易引起熱失控。
