邱健蓄电池通过间距与冷却结合紧急放电缓解锂离子电池热失控传播

为探究锂离子电池（LIB）模组系统中热失控蔓延（TRP）的工程安全挑战，本研究系统分析了单体间距排列、主动气流冷却与紧急放电对TRP的抑制效果，同时阐明各项措施的适用工程参数及协同防控机制。结果表明，3毫米间距 毫米级单元间距可物理阻隔热失控传播，120℃以下温度区间作为气流冷却的可用工程扳机阈值适用于本研究测试范围。温度是热失控的核心预警参数：荷电状态（SOC）100%的锂离子电池在125℃开启安全阀，当温度超过150℃时进入热失控阶段，而低于100℃的温度区间仍保持相对安全状态。占总热量的60%–77%，而紧急放电通过降低电池SOC切断核心热源_s3的协同效应在紧凑的1毫米电池间距条件下，采用放电与气流冷却仍可有效预防热失控传播（TRP）。_s.电池质量损失与热失控（TR）严重程度呈显著正相关。本研究建立的量化参数与综合防控策略将为工业锂离子电池模组系统的结构设计、运行安全管理及应急处置提供数据支撑。 A discharge and airflow cooling can prevent TRP even at a compact 1 mm battery spacing. Battery mass loss shows a significant positive correlation with the severity of TR. The quantified parameters and integrated prevention strategies established in this study will provide data support for module design, operational safety management, and emergency response in industrial LIB modules system.

引言

随着新能源产业的快速发展，锂离子电池(LIBs)因其高能量密度、长循环寿命和低自放电率等显著优势(Armand and Tarascon, 2008; Blomgren, 2016; Nitta et al., 2015)，已被广泛应用于电动汽车、储能电站和便携式电子设备等多个领域。它们已成为支撑能源结构转型与电气化浪潮的核心动力源(Dunn et al., 2011; Schmidt et al., 2019)。然而，锂离子电池（LIBs）存在的安全隐患限制了其大规模工业应用。在电池储能系统中，单体电池的热失控（TR）可通过热传导和热辐射扩散至相邻电池（Wang et al., 2012; Feng et al., 2018），可能引发火灾、爆炸等灾难性工业事故（Liu et al., 2016; Zhou et al., 2023）。同时，一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO₂）等有毒气体的释放会进一步加剧危害。₂一旦释放，将威胁人员安全并造成不可逆的环境污染（Xu等，2024；Yuan等，2020；García等，2025）。因此，必须开发高效的热失控抑制技术、建立可量化的控制参数，为储能行业工艺安全设计与运行管理提供技术支撑，从而提升锂离子电池在实际应用中的安全性。
动态TRP行为、多物理场建模与集成热管理技术的最新进展，为TRP抑制奠定了理论基础。Peng等(2024)系统综述了锂离子电池热失控建模技术，涵盖产热机制、反应动力学、滥用触发机制以及从单物理场到多物理场模型的演进过程。Chen等(2025a)揭示了"残余火焰-复燃"原理及燃料费压力信号演化规律，而Zhu等(2024)提出的基于WPEP的声学方法可实现对超过540次热失控事件的精准监测。 通过单一麦克风实现电池管理系统超早期预警秒级响应。这些研究阐明了热失控传播（TRP）的内在规律，但尚未建立理论建模与实际工程参数间的有效关联。
在锂离子电池储能系统中，电池热管理是过程安全风险防控的关键环节，其核心在于优化热管理技术以维持电池组的热稳定性。Li等人（2019）量化了SOC、加热功率和间距对18650电池热失控（TR）的影响，证明调整间距是阻断传热路径的有效基础措施。ZHANG等人（2022）观察到对于100% SOC的电池，电芯间更大的横向间距会显著增加热失控传播的难度。Ouyang等人（2019）发现增大间隙可延缓相变故障并降低传播速度，其中传播速度与间隙平方呈强正相关，且随模组SOC上升呈线性增长。Lopez等人（2015）采用九节18650锂离子电池研究互连方式、间距及防护材料对热失控传播（TRP）的影响，发现2 毫米级间隔与电芯间隔热层显著延缓了传播进程。Zhong等（2018）指出仅依靠空气间隙难以有效阻隔相邻电芯热冲击的影响。
针对工业储能应用，高水平研究推动了TRP模拟与集成热管理设计的进展。Issah等人（2025）全面综述了电池热管理系统的最新进展，尤其强调混合配置的重要意义，为设计高效可靠的热管理方案提供了系统性参考。Talha等人（2025）提出了一种集成电池组与金属氢化物储罐及相变材料的新型混合储能系统（HESS）概念，为TR抑制提供了被动式高效创新方案。Chen等人（2024）开发的FRPCM-AEGF夹层结构（在5 毫米厚度）结合超薄弹性热障层可有效抑制灾难性热失控传播。Huang等（2022）制备的石蜡/SEBS/聚磷酸铵/二氧化硅/碳微纳聚集体复合材料展现出优异隔热性能，其总放热时长达到普通PS材料的三倍。Chen等（2025b）提出采用多功能、超薄、强韧的弹性热障层抑制大型电池模组的灾难性热失控传播，其临界导热系数λ = 0.04（W/(m·K)）。Weng等（2021年）研究表明，当氧气浓度从21%降至12%时，第一与第二细胞间的TRP时间间隔从136毫秒显著延长。 s 至 196 s，表明 TRP 率降低了 44%。Mustafa（Mustafa, 2022）发现，电池平均温度和最高温度的变化趋势相似，均随着入口/出口尺寸和电池间距的增加而降低。Chen 等人（2019）采用优化方案调整电池间距，从而实现了冷却通道内气流速度的均匀分布。Wang 等人（2019）发现，在气流速度为 1 在风速为 m/s 时，所开发的强制风冷系统效率可达73.0%，温差不高于5.0°C。该结构的最高温度始终保持在45.0°C以下。
传统冷却方法主要依赖外部冷却介质强制降低电池温度。相比之下，紧急放电作为一种主动防控措施，能快速释放电池残余能量，从而消除热失控（TR）的能量基础。Hu等（2024）研究发现残余荷电状态（SOC）会显著改变热失控初始温度，且单体SOC越低，其自身产生触发热失控的热量越多。Theiler等（2024）研究表明将路径电池SOC降至60%或20%可使热蔓延延迟87% 秒数，并同时降低了其峰值温度和严重程度。Lu等人（2025年）发现，随着放电速率的增加，LIB-2热失控（TR）过程中喷射火焰的强度逐渐减弱。Liu等人（2025年）指出，高倍率放电降低了模块内的能量状态，削弱了电池单元间的能量传递效率。Lai等人（2024年）揭示了放电速率与温升之间的正相关关系。4倍率放电时 C导致热稳定性显著恶化，最高温度达到96.6°C，而1 C至3 C的放电速率则相对更为安全。Meng等人（2025）发现，当放电速率超过3 C时，剧烈的喷射火焰会转变为白烟排放，并伴随火焰温度和热释放速率的大幅降低。
综上所述，对于与热失控（TR）系统相邻的电池组，传统冷却方法无法直接作用于热源本身。相比之下，放电技术通过独特设计实现了总热量释放的显著降低。然而，在大倍率放电过程中，放电电流会产生一定热量。这部分由放电电流产生的热量不容忽视，可能加速热失控现象的发生。因此，将放电缓解措施与传热抑制策略相结合以建立协同防护体系，强化放电技术的工艺安全设计及工程应用路径，可为电池系统安全提供更全面的保障。
考虑到上述问题，本研究探究了100%SOC 18650三元锂离子电池在不同电芯间距配置、气流激活时序及紧急放电条件下的热失控（TR）抑制效果。目前关于将紧急放电与其他热失控抑制策略相结合的相关研究仍显不足。首先，本研究考察了增大排列间距与空气冷却对热失控传播（TRP）的影响，继而分析了紧急放电与减少热传递对电池系统整体安全性的协同效应。通过精准捕捉热失控传播过程中的温度波动、安全阀激活等关键参数，本研究阐明了控制因子的作用规律与协同机制，量化了电池过程安全管理中的核心要素，为有效抑制锂离子电池模组系统的热失控传播提供了实证依据。