Trojan电瓶开放环境条件下多种滥用模式对三元动力锂离子电池热失控特性的实验研究
来源：
邱健蓄电池 发布时间：2026-03-21 10:00:17 点击： 次
摘要
众所周知，锂离子电池（LIBs）在机械/电气/热滥用条件下易发生热失控（TR），可能引发严重的热安全事故。然而，不同滥用条件下热失控的扳机与动作机制仍不明确，尤其在开放运行环境中更为突出。针对上述问题，本研究选取三元锂离子电池作为实验对象展开研究。首先，采用热滥用与机械滥用两种模式来扳机热失控。在此过程中，研究了不同荷电状态（SOC）、不同加热功率、不同针刺位置以及不同针刺深度对热失控（TR）发生机制的影响。其次，通过分析热失控过程中温度、电压及温升速率等参数的变化，系统揭示了三元锂离子电池的热失控特性，并阐释了热失控链式反应的机理。两者安全阀开启时的温差为11°C，峰值温度达464.3°C。当电池在不同位置被穿刺时，E点（距正极10mm处）穿刺仅需3秒即开始冒烟，而A点（距负极10mm处）穿刺的冒烟时间延长了7倍。A点穿刺时电池燃烧时长为12秒，而E点穿刺时燃烧时长增加了2.33倍。穿刺点温度呈现TE>TA>T的递变规律C随着钉刺深度的增加，位置E、A和C（分别位于电池中心、距参考点32 mm处）的峰值温度差异更为显著。热失控后，不同荷电状态（SOC）与加热功率条件下的最大质量损失率比不同钉刺位置及深度条件下高出44.8%，且拆解后的宏观损伤程度也最为严重。通过对比负极表面活性材料的SEM微观形貌及XRD特征峰位移或强度变化，研究发现热滥用触发的热失控过程比机械滥用触发的更为剧烈，导致电池损伤更为严重。该研究可为三元电池的改进优化、电池热安全性能提升提供参考依据，最终减少新能源汽车热灾害的发生。
引言
在全球能源结构转型与可持续发展需求推动下，锂离子电池（LIBs）凭借其高性能与长循环寿命，已成为电动汽车（EVs）和可再生能源存储系统等领域的首选技术方案[1]。当前LIBs正朝着更高能量密度、更高安全性及更大几何尺寸的设计方向发展。然而随着电池能量密度的持续提升，除需解决可靠性与成本问题外，还面临安全性、一致性、快充快放平衡及极端条件下应用等挑战。其中最核心的问题在于热安全性。安全性始终是制约EVs发展的关键因素之一[2]，尤以热失控（TR）引发的安全事故为甚。TR是LIBs在滥用条件下发生链式反应的现象。锂离子电池热失控机制在不同滥用条件下略有差异，但本质上均源于内部短路释放的大量热量与有害气体，进而引发火灾爆炸事故。由于化学材料体系内部结构特性，三元锂离子电池热失控危害性远高于磷酸铁锂电池，表现出较差的热稳定性。因此，针对能量密度更高的三元锂离子电池开展热失控特性研究具有重要必要性。
国内外学者对锂离子电池热失控（TR）开展了广泛研究，涵盖不同实验环境下的TR研究、TR过程中的燃烧行为、燃料费生成机理与组分分析以及TR模型构建等领域。在开放环境中，Li等人[3]通过露天燃烧室研究了TR传播行为以识别其预警信号。研究表明，监测锂离子电池温度可为模块内TR传播提供最短预警时间。尽管如此，模块电压测量平均提供了约2%的提前预警。此外，排气燃料费浓度监测平均比LIBs温度监测提前约2分钟发出热失效警告。Huang等[4]通过调节加热功率和面积，研究了开放环境中的TR火焰特性与温度变化。研究表明，加热功率越高，喷射火焰越稳定。峰值温度始终保持在1000°C至1300°C之间，质量损失率介于44%至53%。在绝热条件下，Feng等[[5], [6], [7]]采用加速量热仪(ARC)装备研究了各类LIBs的TR机理与热源，并总结了三个常见的TR特征温度：自热起始温度(T1)，TR的扳机温度（T2），以及TR的最高温度（T3热失控（TR）的热源构成如下：固体电解质界面膜（SEI）分解阶段释放的热量占热失控总放热量的17%，内短路放热占比9%，其余74%的热量来源于正负极之间的氧化还原反应。进一步研究表明，热失控的严重程度受锂离子电池荷电状态（SOC）、电化学材料与结构设计、热管理系统效能等因素影响[8]。1SOC的增强显著影响了T值。1在热失控（TR）过程中会降低[9]。Md Said等人[10]通过烘箱加热和加速量热仪（ARC）实验对圆柱形三元锂离子电池的热失控行为进行了表征。结果表明，容量越高的电池表现出更强的热失控倾向、更短的热激活放热反应诱发时间，并导致更剧烈的放热反应。部分学者还对比了两种实验环境条件下的热失控现象。例如，Song等人[11]通过实验从温度和能量角度，全面研究了40安时磷酸铁锂电池在不同实验环境下发生热失控的关键条件。研究表明，磷酸铁锂电池的临界热失控温度（Tcr）与传热系数（h）呈对数关系，且加热功率与触发热失控所需时间成反比。此外，在开放环境下，TR的临界温度（Tcr）为125±3°C，触发TR所需的临界能量（Ecr）为122.76±7.44 kJ。
多位学者已对TR过程的燃烧行为展开研究，阐释了其火焰演化机制、燃料费生成机理及组分分析。Yang等[12]系统归纳了热射流演化机制、射流火焰的模拟与实验方法、TR燃料费爆炸极限的理论计算方法及爆炸危害参数指标体系。Mao等[13]则聚焦LIBs的火焰行为特征及其影响机制。研究表明，在热失控（TR）过程中，锂离子电池的火焰强度受环境压力、温度等外部因素以及健康状态（SOH）、荷电状态（SOC）等内部因素影响。Gagnon等人[14]以不同加热速率在63 Ah软包电池侧面触发扳机，发现所有加热速率范围内火焰辐射热通量均未受影响。Xing等人[15]研究了58 Ah方形锂离子电池在热滥用条件下热失控期间的火焰特性。研究指出，扩展包力达到峰值后急剧下降的时刻与首次火花喷发相对应，最强烈的火花喷发出现在1.4秒；爆炸火焰达到最大半径时，平均变化速率超过17米/秒。另有研究探讨了热失控过程中产生的燃料费对燃烧的影响。研究表明[[16], [17], [18]]，磷酸铁锂电池热失控过程中产生的燃料费爆炸超压相对较高，这可能对相邻电池、电池组乃至电池舱的机械结构造成更为不利的影响。由于氢气(H2)和乙烯(C2），磷酸铁锂电池热失控气体的层流燃烧速度更快。针对热失控产气机理的研究，部分学者[[19], [20], [21]]发现产气机制与正极材料有关：正极在高温下释氧，随后与电解液反应生成可燃性气体（如C4电池内残余锂化合物与粘结剂在高温下发生反应，释放含氟气体（HF），引发界面腐蚀并加速热失控（TR）。Guo等[22]对过充锂离子电池进行TR测试，结果表明较高充电速率会加剧副反应并增加燃料费（Gas）产量。Lin等[23]研究比较了三种加热技术（加热棒、加热线圈与加热板）对商用NCM811锂离子电池TR及燃料费生成的影响。气体分析显示，加热线圈法产生的燃料费显著更多，尤其是CO2。气体（CO、CO4、H2与CH2热失控（TR）过程中产生的气体组分因加热方式不同而存在差异，其中加热线圈可使电池反应更趋完全。Cheng等[24]选用280 Ah磷酸铁锂电池并通过加热触发其热失控，分析了产气特性并测定气体组分。通过卷积分析得出各气体占比，其中氢气和二氧化碳分别占36.8%和44.2%。Shen等[25]在惰性环境中对磷酸铁锂电池与三元电池进行热失控实验，发现三元电池的产气量高于磷酸铁锂电池。此外，部分学者[26,27]通过探究混合气体的爆炸特性与毒性，强调了热失控过程伴随的产气危害。2, and CH4) generated during the TR process varied depending on the heating method, and the heating coil allowed the battery reaction to be more complete. Cheng et al. [24] selected 280 Ah lithium iron phosphate battery and triggered TR of the battery through heating, analyzed the gas production characteristics and measured the gas production components. The proportion of gas components was obtained through convolution analysis, where hydrogen and carbon dioxide accounted for 36.8 % and 44.2 % respectively. Shen et al. [25] conducted TR tests on lithium iron phosphate and ternary batteries in an inert environment. It was found that the gas production of ternary batteries was higher than that of lithium iron phosphate batteries. In addition, some scholars [26,27] explored the explosion characteristics and toxicity of the mixed gas to emphasize the hazards associated with gas generation during the TR process.
部分学者通过建立模拟模型，研究了锂离子电池热失控过程中内部参数的变化规律及各参数的影响机制。Alshammari等[28]开发了一种电热耦合热失控模型，该模型限制级考虑了多性向内部热源与非绝热边界条件，并验证了外部冷却对热失控触发及峰值温度的显著影响。Lee等[29]将该模型扩展至储能系统(ESS)应用领域，通过评估不同运行环境与冷却条件下的热失控严重程度，指出环境温度与对流换热可使热失控风险等级发生数量级变化。在单体电池尺度上，Qiao等[30]建立了单层电池的内短路-热失控耦合模型，量化了局部内短路发展为完全热失控的边界条件，为早期预警策略提供了定量依据。Yao等[31]通过实验与模拟相结合的方式，研究了18,650型电池的热失控（TR）特性及其在电池模组中的传播规律，表明单体电池间距与热耦合效应主导了传播模式与时间尺度。Wang等[32]将热阻网络与计算流体力学（CFD）耦合，基于大容量NCM电池的TR测试数据，构建了热失控传播与燃料费（Gas）扩散（爆炸危害）的数值模型，进而揭示了电池模组泄压设计与通风条件对爆炸风险的重大影响。Zhang[33]建立了限制级（Explicit）喷射燃料费燃烧的二维与三维燃烧模型，研究了通风条件与泄压结构对TR喷射火焰长度、温度分布及壁面读档（Load）的影响，为电池模组外壳与泄压结构的防火安全设计提供了理论依据。这些模拟研究为理解实际（非绝热）场景下环境边界条件的影响、量化内部反应热以及分析TR过程中的燃料费扩散、爆炸和火焰演变提供了重要工具。本研究通过考察开放环境中多性向滥用条件下发生TR的电池安全阀开启温度、峰值温度、火焰行为及微观结构演变，为未来具有复杂热边界条件的开放系统中基于物理的TR模拟提供了宝贵的实验数据库。
综上所述，在对比非开放环境与开放环境下进行的TR研究时，文献[[5], [6], [7], [8], [9]]探究了非开放（绝热）条件下的TR现象，从热分析与热源分解入手，系统阐释了电池TR的内在机制，并提出了三个广义特征温度T1、T2与T3通过定量分析确定了各阶段的热贡献，包括SEI分解、内部短路以及正极/负极氧化还原反应。相比之下，开放（非绝热）条件下的热失控研究[3,4,[12], [13], [14], [15],[23], [24], [25]]更聚焦于火焰演变、气体生成与传播及其相关损害，并揭示了实验传热条件、加热方式与环境参数对热失控临界条件及严重程度的显著影响。在实际应用中，电池通常处于开放环境中运行，不可避免地与环境发生热质交换。此外，热扩散、散热与环境条件的耦合效应会使得情况更为复杂。为更真实评估实际运行环境下锂离子电池的热失控风险，并为开放系统中模块级热失控传播与缓解策略提供依据，本研究在开放环境下开展了不同荷电状态、加热功率及针刺位置与深度等滥用条件下的热失控行为实验，系统研究了火焰特征、温度电压演变规律及材料结构退化行为。通过将"宏观现象-电化学参数-热化学反应"紧密关联，更准确地捕捉了实际应用场景中电池的热失控行为，这对电动汽车、电池组及储能系统的风险评估与预警防护策略优化具有实用价值。
为解决上述问题，本文系统研究了实际工作环境下三元锂离子电池热失控（TR）的发生机理及过程动力学参数变化。首先，通过热滥用条件下的实验测试，考察了不同荷电状态（SOC）与不同加热功率影响下三元锂离子电池的热失控行为特征。同时详细阐述了电化学层面热失控参数的变化规律，以及热化学层面热失控现象与内部链式反应的对应关系。其次，在机械滥用条件下，研究了不同针刺位置和深度触发热失控（TR）的机制。深入分析了TR过程中电池表面不同位置的温度变化规律，以及针刺部位对温度影响的作用机理。最后，通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射谱（XRD）对上述发生TR的锂离子电池（LIBs）进行了宏观测试，通过逆向分析验证了TR的热-电化学性能关联性。这些研究结果可为电池模组及电池包的结构布局与热管理设计提供基础数据，同时为电动汽车、储能电站、小型无人机等应用场景中电芯层级热失控（TR）风险评估及热安全防护策略优化提供有益参考，从而有助于降低实际运行过程中热失控蔓延的概率及相关危害。
