激光诱导锂离子电池热失控：一种可控、可重复的热失控触发新方法及其失效行为研究

《Journal of Energy Storage》：Using laser irradiation to initiate and control the behaviour of battery thermal runaway

为解决锂离子电池（LIB）热失控（TR）触发方法可控性差、重复性低的问题，研究人员开展了利用激光辐照技术精准诱导内部短路（ISC）并调控TR行为的研究。结果表明，通过调节激光功率（如65 W CW）、操作模式（连续/调制）和加热位置，可实现对TR失效模式（如侧壁破裂、顶部泄放）的精确控制，为电池安全评估提供了高度可重复且非侵入性的标准化触发新方法。

　　

在全球推动减少二氧化碳排放以应对气候变化的背景下，锂离子电池（LIB）作为动力系统和推进装置电气化的关键设备，其高能量密度和广泛应用备受关注。然而，LIB的安全问题，尤其是热失控（TR）和电池火灾，始终是行业发展的痛点。热失控通常由内部短路（ISC）引发，即电极层间意外接触导致快速放电和热量积聚。尽管TR的演化阶段已被广泛报道，但如何以可控、可重复的方式在未改性的商用LIB中诱发ISC，并准确评估安全关键系统的抗TR能力，仍是当前研究的难点。传统触发方法如钉刺穿透（Nail Penetration）存在重复性差、可控性低的问题；等效电阻（ER）法不能代表实际场失效；而相变材料（PCM）、形状记忆合金（SMA）和金属颗粒等植入方法虽能产生代表性失效，但过程复杂、耗时且需要定制制造环境。因此，开发一种非侵入、高重复性且能精准控制TR行为的触发方法，对电池安全设计具有重要意义。

在此背景下，激光辐照作为一种创新方法被国际电工委员会（IEC62619-2017）认可为非侵入性TR触发技术。激光设备可远程聚焦高强度光，辐照目标电池的离散位置，无需修改电池设计，通过局部热点形成高度可控和可预测的ISC，导致确定性失效事件。然而，现有研究多关注激光加热的性能和效率，即用最小输入能量引发电池失效的能力，尚未充分利用激光的可控性来系统靶向和辐照不同细胞位置以产生独特热热点和失效行为。本研究旨在利用激光的可控性，明确关键变量（如功率水平、调制方式和位置）对LIB失效模式的因果关系，以模拟具有代表性的场失效。

本研究采用21700规格商用LIB（索尼VTC6A），额定容量4.0 Ah，阴极材料为锂镍钴铝氧化物（NCA），阳极为石墨。实验设置包括光纤耦合激光加热组件，使用IPG YLR-200-MM-AC-Y14激光器，提供1070 nm短波红外（SWIR）辐照，功率范围25-200 W，操作模式包括连续波（CW）和调制模式。激光光斑直径830 μm，功率密度呈高斯分布。电池表面温度、电压和激光脉冲轮廓由National Instruments数据采集系统监测，使用K型热电偶。实验设计涵盖三种激光功率（高：100 W、中：50 W、低：25 W）、三种加热位置（负极端15 mm、中心35 mm、正极端55 mm）和两种操作模式（CW和调制），共18个测试案例。失效后采用非破坏性X射线计算机断层扫描（XCT）和物理检查分析内部结构。

研究结果分为三个阶段：阶段I（加热和热点生成）、阶段II（泄放）和阶段III（热失控）。在高功率辐照（≥100 W）下，激光快速穿孔电池外壳，形成熔化的锁孔和外部电极层ISC，通过激光穿孔产生持续火花，导致火花主导的失效，质量损失比（MLR）约0.6，峰值表面温度超800°C。中功率辐照（50 W）呈现两种行为：70 W CW辐照在外部果冻卷层引发ISC，降低外壳抗拉强度，最终由局部气体压力导致破裂和火喷发；50 W测试则通过渐进加热产生离域热点，经由工程泄放口发生名义失效。低功率（25 W）未能引发TR，电池稳定在约50°C。XCT分析揭示了激光加热方法的内部机制，与传统TR触发方法相比，激光诱导的ISC更可控。通过调优练习，确定65 W CW辐照为优化设置，可在75%的测试中重现侧壁破裂。

研究表明，激光辐照是一种高度可控和可重复的TR触发方法，能够通过调节参数精确控制失效模式，为电池安全测试提供了标准化工具。与钉刺穿透相比，激光方法避免了机械侵入性和不可预测的接触电阻问题；与植入设备相比，激光无需复杂集成过程，且更易于实施。然而，激光方法的能量需求较高，且在系统级评估中可能受到界面材料干扰，需定制光束传输通道。未来研究可扩展至不同SOC值、更多样本量、先进表征技术以及模块级评估，以进一步验证方法的通用性和可扩展性。

该研究发表于《Journal of Energy Storage》，为电池安全领域提供了创新性的触发方法，有望推动更可靠和安全的电池系统设计。