邱健蓄电池火灾特性分析：热行为与燃料费排放

本研究系统整理并分析了NMC锂离子电池的实验燃烧测试数据，以支持危害评估和工艺安全建模，提供了目前针对NMC电池火灾最全面的数据集之一，并推导出关键危害参数基于能量的经验标度关系。研究审查了两组互补数据：(i) 热失控过程中的热行为数据，包含来自20篇文献的53组实验；(ii) 受控采样条件下测量的排气排放数据，包含来自12篇文献的32组数据集。基于实验数据建立的幂律关联式揭示了储存能量与峰值热释放率(PHR)、总热释放量(THR)及特征时间的关系。在过热工况下，THR与储存能量呈超线性依存关系，而PHR则呈现亚线性变化趋势。相比之下，过充电工况下PHR呈现超线性比例增长，这凸显了点火模式对燃烧动力学的显著影响。典型过热工况的比PHR值为150-300 kW/kWh，比THR值为4-12 MJ/kWh。过充电工况产生相近的比THR，但达到峰值时间更短且火焰更稳定，而机械穿刺工况的比PHR常超过300 kW/kWh、比THR超过12 MJ/kWh，表明其具有更高危险性。尾气分析严格限定于热失控阶段燃烧前或管道混合前释放的原始气体。在惰性气氛实验数据集中，混合气体始终以H₂, CO₂以及CH含量较低的CO₄，C₂和C₄。按存储能量分箱显示：小型电池（1-100 Wh）以CO₂为主的混合气体组分，而较大容量电池（101-1000 Wh）则转向富含CO的组成。这些结果为工业应用中的NMC电池系统后果建模与过程安全风险评估提供了量化依据。₆. Binning by stored energy shows a CO₂-dominant mixture for small batteries (1-100 Wh), shifting toward CO-rich compositions for larger batteries (101-1000 Wh). These results provide a quantitative basis for consequence modelling and process safety risk assessments involving NMC battery systems in industrial applications.

引言

锂离子电池（LIBs）已成为消费电子、储能系统（ESS）、工业应用及电动交通等多个领域的主导储能技术。其高能量密度、轻量化结构及优异的循环性能使其在现代社会中不可或缺。然而，这种广泛使用也凸显了锂离子电池固有的火灾隐患（Kwon等人，2024；He等人，2026；Zhang等人，2026）。
主要关注点之一是热失控（TR），这是一种由机械损伤、过热、内部短路或过充电（Feng等，2018）等滥用条件触发的连锁反应，并因电池老化而加剧。一旦发生，热失控可能导致温度升高、燃料费快速释放、高热产生、剧烈火焰喷射，在某些情况下还会引发爆炸。锂离子电池的密闭特性，加上易燃电解液成分，使得火灾事件既剧烈又难以控制，尤其在封闭环境中（Chen等。，2020）。这些反应在室内尤为危险，因为会释放有毒细颗粒物、燃料费及易燃化合物（Claassen等，2024；Wang等，2025）。
截至2023年，采用锂镍锰钴（NMC）、磷酸铁锂（LFP）和镍钴铝氧化物（NCA）等化学体系的锂离子电池主导全球电池市场，总产能近2000吉瓦时，其中仅电动汽车领域就超过772吉瓦时（国际能源署，2024）。在纯电动汽车的电池化学体系构成中，锂镍锰钴电池占比约59%，磷酸铁锂电池占40%，镍钴铝氧化物电池占7%。就能量密度而言，性能最优异的NMC电池单体超过300瓦时/千克，显著高于通常处于150至220瓦时/千克区间的LFP电池（Meliá等，2024；Gaya等，2024）。这种高比能量特性推动了NMC电池在电动交通、便携式设备和储能设施等领域的广泛应用。
尽管具备诸多优势，NMC电池因其能量密度和活性化学性质存在显著的消防安全隐患。与LFP等更稳定的电池类型相比，NMC电芯在热失控过程中表现出更严重的破坏性，包括在高荷电状态（SOC）条件下会加速释放HF等有害气体（Bugryniec等，2024）。除SOC外，健康状态（SOH）同样具有重要影响：老化或性能衰退的电芯可能更早触发热失控，改变气体释放模式，并降低滥用耐受性，从而加剧火灾风险。火灾测试通常分析热释放速率（HRR）、质量损失、表面温度和热失控触发等关键参数，这些参数大多受电池化学体系、SOC及点火方式影响（Wang等，2026）。随着NMC电池在关键基础设施和移动平台中的广泛应用，理解其火灾动力学特性已成为消防安全工程领域的优先研究课题。
尽管对电池火灾危害的认识日益加深，但用于模拟电池火灾的预测工具仍然有限，特别是在准确描述不同条件下NMC电池火势增长和能量释放方面。目前的火灾模型通常依赖于简化的热释放率（HRR）曲线或通用燃烧假设，这些方法可能无法捕捉电池火灾的复杂行为。因此，亟需整理和分析实验性火灾测试数据，以指导火灾建模工作。这包括识别电池规格、荷电状态（SOC）、点火方式与最终火灾特征（如热释放率HRR、总热释放量THR、气体成分）之间的关联性。此类数据对于开发更可靠、更贴近实际的火灾场景至关重要，特别是在基于性能的设计和基于计算流体力学（CFD）的火灾模拟中。
本研究旨在对NMC锂离子电池的火灾测试进行全面文献综述，以提取关键的火灾性能指标——特别是热释放速率（HRR）和总热释放量（THR）——作为电池配置与测试条件的函数。通过整合这些数据，我们致力于为NMC电池构建真实的火灾曲线提供支持，并为数值火灾模拟开发经过验证的输入数据作出贡献。
除热释放指标外，本研究还评估了NMC电池火灾中的燃料费排放。特别值得注意的是，该分析严格集中于空气、氮气或惰性气氛下热失控过程中产生的逸出气（即电芯在与燃烧空气或通风橱/管道气流混合前直接释放的气体）。这一区分至关重要，因为提取管道中的燃烧和稀释会显著改变表观气体成分（如CO升高₂、HF含量增加或H₂浓度降低），导致不同研究间的比较产生混淆。
尽管先前多项研究已对锂离子电池火灾特性进行了总结，或报道了储能与热释放参数间的比例关系，但本研究通过以下三个方面推动了实践进展：(i)整合了耦合量热法与原生尾气数据的NMC专属多研究数据库，(ii)区分点火机制以推导模式依赖性比例趋势，(iii)重点关注适用于爆炸、扩散及毒性建模的燃烧前原生尾气组分。
本研究中推导的相关性应视为经验性工程导向的缩放关系，适用于汇编数据集中所代表的存储能量范围（约1-30,000 Wh），该范围涵盖单体电池、模组和电池包级别的配置，无论外壳类型如何。这些相关性不应被解释为与尺度无关的物理定律，而应视为实用的估算工具，旨在电池特定实验数据缺失时支持危害评估。