探索几种新的热失控触发方式：灯光照射，激光以及铝热反应
大家好，首先道个歉：整个四月因为一直比较忙（看娃+出差+写出差开会的报告），一直没有更新。在五月应该会好一些，近来下了一些文章，尽量保证更新频率哈。
近来无意间在网上搜到了报告EVS20-K03 [US]Battery triggering techniques，其介绍了美国这边探索不同的热失控触发机制的新工作，主要包括了灯光照射，激光以及铝热反应三种方式。个人觉得这篇报告还是比较有意思的，特此分享给大家。
大功率石英灯照射：比较麻烦不太实用
在本文的所有研究中，研究都首先使用绝热量热仪ARC得到电芯的热失控加热/升温曲线，然后来对比研究其它的这三种触发方式是不是可以按照同样的升温制度就可以完成触发。
用大功率石英灯照射传热的原理就和大功率灯浴霸似的，光源就是热源，照到的地方热就传过去。实验示意图则如下图左所示：大功率石英灯光源在下，然后软包电芯和光源之间放一个混凝土隔板，其上开一个直径2.5cm的光阑，保证只有这一块有能量传到电芯上去。
首先试了一下完全仿照绝热量热仪ARC得到数据的加热曲线（蓝色）——结果发现这个（红色）不行，触发不了。
所以只好调整了新的制度——把加热时间和强度都翻了倍（绿色曲线）。调整后，成功触发了电芯热失控，电芯在反应中最高温度570度。
说到这就简单点评一下哈：
这石英灯照射就是个大功率的非定向性光源——不可控。这问题就大了：混凝土挡着这种笨办法对于实验是没问题的，但是对于实际情况呢？我真要给电池组的某节电芯实现精准的触发呢？这个光源基本是没有任何办法的。
不可控还有一个问题——能量输入不是很精确。热失控实验实际上是要求我们对于引入的能量有很好的控制的：希望越少越好（所以过充就不是一个特别好的方法）以减少额外能量的影响。在这种情况下，我们是可以只算经过光阑到达电芯的能量，但是这个过程就粗糙了：混凝土块会不会被烤热，环境比热的影响如何估计？这相当于是给实验增加了一些不可以忽略的因素。
还有一个问题：这个方法只适合有大表面积的方形和软包电芯（有足够的面积来接受热量），对于圆柱电芯就没办法了（圆柱电芯面积太小了）。
最后一个：看来直接比着ARC曲线就能完成同样的热失控触发还是比较难，其它加热触发需要功率应该是肯定要高于ARC曲线值的，个人认为原因有：1）电芯不停在向外散热损耗；2）相比于ARC的准-稳定态测试（内外温度均一度高），这些加热/测试基本都是动态的，测的表面的地方也许温度达到了其实内部常常还早呢，所以需要点过加热/能量输入也是很正常的。
总之：还是不太实用哈。
激光触发：还不错，有实用性
在本部分中，探索使用了使用近红外激光Rofin，40W，1000nm，1mm直径光斑的触发方法。在3Ah软包、2.6 Ah18650 LCO圆柱和3 Ah 18650 NCA圆柱上分别做了实验。
A. 3Ah软包
用这个激光4.5分钟就把3Ah软包照的热失控了。在发生热失控的瞬间：出现了200mV的压降，然后很快发生热失控，之后就是电压变0，温度急速升高。反应前后的电芯照片如下图所示。
下图可以更清晰的看见整个过程的温度和电压变化情况，可见激光局部加热触发有点结合了传统加热和针 刺触发的特点：
加热需要一定的时间，这里也是（4分半）。即使是发生热失控后，温度的快速升高也是要比针 刺要更慢一点（需要热效应逐渐烧穿而不是针 刺一口气直接贯通）
针 刺是局部破坏，这里的激光加热也是优先在局部击穿（当然周边也已经有热量吸收了）
另外作者们还探索了一下在低SOC电芯上用同样时长的激光照射后，电芯的表面和内部（CT研究）的情况（下图），发现照射后会有一个小孔，但是内部用CT看，基本没有什么明显变化，说明激光光源有强定向性，能量输入集中于局部，这个是很好的。这对于我们精确的开展实验，搞明白能量输入量，对实验细节变量达成控制，都是非常有好处的。
总体来说：激光照射触发的方法具有实用性，值得重点来跟。
B. 圆柱
接下来，用激光对比触发了LCO圆柱和NCA圆柱。圆柱整体上更难触发——得把要吸收能量的表面涂黑了，帮吸收能量。
LCO触发不咋成功，只有放电，温度温和上升到50度——可能是因为该LCO电芯本征安全性更高，这个还需要进一步研究（曲线没放）。
NCA触发成功，最高温700度，下图就是其热失控时的曲线。
囿于篇幅，在此就不展开了，总之激光触发方法可控精确，值得进一步研究。
铝热反应剂触发：理想很丰满，现实很骨感
大家在中学化学中就应该听说过铝热反应，其具有很高的放热量，又是一种比较容易获得的化学/化工品，并且通过控制成分配比和剂量可以精确的模拟单节电芯热失控时发出的热量。因此研究者们就在想：可不可以用这个反应剂来实现我们的热失控触发呢？
内置铝热反应剂的钨坩埚
结果做了几个实验，发现理想很丰满，现实很骨感，咱们一个个来看一下：
A. 钨坩埚内放Al/MnO2反应对
用它的好处：高热量产生。然后发现：一开始加热速率挺好，后来反应剧烈化后一产气，把容器打破了，然后能量释放就不像以前希望的受控于局部了——我是可以产热，但是热量都跑到别处去了，没有全导给旁边的电芯，这可怎么用呢？
所以下图里面，这个最高温度才160度——这可不是我们对于铝热反应产热加热效果的期望呀。
果断抛弃。
B. 钨坩埚内放Ti /2B反应对
再把反应体系换成这个，好处：理论上它们产气就少，可以完美避开上面那个体系的坑。准备过程也很简单：把粉体材料配比好了压了以后放入坩埚，然后触发该坩埚内的铝热反应。
发现：加热速度明显快于刚才的体系，然后，最高温度达到了240度。
咦？240度？也不咋地啊。
实验后一看，倒是没有气体的大问题，但是出现了坩埚裂开，内部物质喷发的问题——一样的反应不完全可控了，热量散失到别处了，这还是违背了我们反应可控，把热量精准导给电芯的初衷。
C. 基于商用的Cadweld 商用的Thermal Caps做的实验。
经过以上的研究，研究者们纠结了：这俩体系各有问题，然后好像坩埚有点不好用。
所以有没有什么现成省事的体系可以用？——找到了一种商用的铝热反应剂Cadwell（长的像一个塑封的小杯子，其成分是Cu2O+ CuO+Cu+Al粉，连着一个电引发器）
坩埚这个东西是不是必须用？好像比较麻烦的样子——研究下可不可以不加坩埚
所以基于这些考虑，他们在10Ah的软包电芯上设计了以下的实验。
1.铝热剂+坩埚 （测坩埚上的温度）
2.铝热剂 不带坩埚（测直接接触的温度）
3.0%SOC电芯+铝热剂 不带坩埚
4.100%SOC电芯+铝热剂 不带坩埚
5.0%SOC电芯（上）+100%SOC电芯+（铝热剂 不带坩埚）（放在最上面）
然后咱们看看实验结果：
实验1：带上坩埚，坩埚隔热+吸热+散热效果有点……明显，所以测量的坩埚外面只有200多度一点——和上面的两个体系的结果一样：看来带着坩埚就是不太行……
而且基于基本的化学知识也可以知道：应该不是铝热反应剂的锅（这个肯定能把温度搞上去），那是坩埚的问题吧？
实验2。所以把坩埚去了，直接测反应剂外表面：果然，干到1200度……这就很尴尬了
实验3：铝热剂+无坩埚+电芯0%SOC，铝热剂温度高，熔化金属穿透了5-7层的极组，但是实际上电芯没有真发生TR，测出的电芯只有220度
当然了，0%SOC相对安全性高，这样的结果也不是太奇怪。
实验4：100%SOC: 成功触发，反应很迅速，电芯最高达到650度，实验重复性可以。
实验5：说实话这个上电芯0% 下100%的设置我不知道是为了证明什么……作者说的是为了研究铝热反应产生的熔化金属会不会穿透顶部电芯到底部电芯。但是实验3已经说明了只会穿透5-7层，你再做这个实验5不是多此一举吗？
说到这就简单点评一下哈：
使用坩埚是为了把反应限于局部，保证能量尽量都只往电芯上跑，但是带来了一个问题：坩埚自己吸热散热，使得最终传给电芯上的热就很有限。
但是你不用呢？反应又不可控——可能喷了热量跑了，最后多少热给了电芯都是一笔糊涂账。所以这个方法是很有意思，但是不可控因素太多啦。不好玩。
所以研究者也在说：下一步的研究主要的目标是：搞出一个好用的密封的铝热反应器来。
最后总结+乱弹
研究者最后给了一个表，对比了激光（行1）、针 刺 、无定向石英灯、加热、过充五种触发方式的细节以及输入的能量。可见针 刺能量输入比较少（1.8J），但是激光输入同样在这方面也有很大的亮点（38J），这应该主要得益于高度定向+局部的高效能量输入，这是很有价值的。该方法还在概念验证阶段（Proof-of-Concept），值得进一步跟。
灯照射和传统加热都是输入能量达到6000J量级，但是相比之下灯的局限性就大多了，估计只在一些特定场合下才好使。
过充则是引入能量海量了，而且又涉及到电芯保护机制和内部复杂反应，不是很推荐的一种触发方法吧。
