SSB蓄电池锂离子电池热失控过程中喷射颗粒的生成机制与沉积行为
2026-03-21 09:18:12
锂离子电池热失控过程中的喷射行为通常包含可燃气体与高温颗粒物。这些颗粒物既可能成为可燃气体的点火源，又可能在系统内部沉积导致短路、拉弧等现象，进而引发更严重的次生危害。现有针对颗粒物的研究多集中于事后收集分析，对热失控动态生成机制及分布规律的认识仍存在不足。这一空白阻碍了精准预防与缓解策略的制定。本研究首先基于热反应序列阐明了整个热失控过程中固态颗粒形成的机制，继而采用高速成像技术捕捉喷射过程，揭示了燃料费射流中颗粒的运动模式。最后通过密闭箱体内的热失控实验，表征了颗粒的沉积行为与空间分布特征。结果表明，喷射颗粒源自C、NiO、CoO、MnO、Li等反应产物2O, and Li2CO3高温颗粒能够引燃可燃性燃料费，扳机燃烧或爆炸事件。高速燃料费射流可使铜箔等结构组件碎裂，产生大颗粒碎屑。密封箱实验表明，大于2毫米的颗粒主要在电池附近沉降。相比之下，由湍流燃料费驱动的更细小颗粒（<0.6毫米）更容易在角落积聚或附着在外壳的顶部和侧壁上。本研究为制定电池热失控过程中颗粒喷射的防护策略提供了科学依据。
引言
全球向可持续能源体系的转型正在加剧对高效储能解决方案的需求。锂离子电池（LIBs）凭借其高能量密度和长循环寿命，已成为电动汽车（EVs）和电网级电池储能系统（BESS）的基石技术（Tepe等，2023；Huang等，2025；Yu等，2023）。在大规模集成电池系统中，电池安全性至关重要，因其直接影响整个工程系统的安全。尽管锂离子电池在正常工作条件下相当安全，但在过充、机械冲击或高温暴露等滥用条件下极易发生故障（Long等，2023；Meng等，2023；Ma等，2025）。此类失效可能对工程系统造成重大损失，其主要失效模式为热失控（TR）——一种剧烈的放热链式反应，可引发火灾、爆炸及有毒物质释放（Sadar等，2024；Chen等，2024a；Zou和Lu，2023）。预防此类重大事故的发生并减轻其后果，是过程安全工程的主要目标。
单体电池的热失控现象表现为急剧的热量释放，同时伴随大量燃料费与固体颗粒的喷射（Wang et al., 2023a, Wang et al., 2024）。喷射的燃料费中含有氢气、一氧化碳、甲烷等组分（Xu et al., 2023, Xu et al., 2025, Xu et al., 2024a）。这种易燃气体混合物是公认的危险因素，可在密闭空间内形成爆炸性环境（Liu et al., 2025a, Xie and Zhang, 2025, Hu et al., 2025）。与此同时，高温颗粒的喷射构成另一危险源。在电池储能系统的封闭壳体内，这些颗粒物会引发多重威胁：既可能成为可燃性燃料费的引火源，直接加热相邻电芯以扳机链式反应，也可能导致电气短路并产生火花（Xu et al., 2024b）。然而当前关于电池热失控后喷射高温颗粒动态行为的研究仍存在显著不足。针对颗粒物喷射后的分布特征，目前缺乏充分的实验数据支持，且其诱发次生重大危害的作用机制尚未阐明。因此，掌握此类颗粒物质的喷射行为对于精准识别危害、开展后果分析以及设计有效安全屏障具有关键意义。
众多学者指出，电池喷射出的高温颗粒会进一步加剧热失控危害，并对这些高温颗粒的喷射过程开展了研究。Zhang等（2023）建立了模拟模型研究固体颗粒喷射对热失控传热的影响，结果表明高温固体颗粒会导致相邻电芯受热升温。Liu等（2024）在其18650电池泄压模拟中加入了颗粒喷射因素。初期高温颗粒主要集中分布在电池直径范围内，随着泄压过程推进，影响区域逐渐向外扩展，这表明颗粒喷射会增大电芯间热失控传播概率。除热危害外，扩散至电池系统内部的颗粒还会引发电气风险。现有模拟研究主要集中于喷射颗粒与燃料费之间的热交换，而关于颗粒喷射后的扩散分布特征及其对周围电池影响的研究鲜见报道。本文工作可为颗粒喷射后的分布状态、沉积行为及热交换提供数据支撑。Li等人(2024a)证实高温喷射颗粒可能导致电池系统内部产生电弧。他们发现颗粒的存在会显著降低电弧形成的临界击穿电压，其中电极间距与颗粒粒径是关键影响因素。此外，高温颗粒射流具有可观的动能，可能破坏结构部件。Li等人(2024a)研究了52Ah锂镍电池热失控过程中颗粒喷射对顶盖的冲击作用0.7Co0.1Mn0.2电池。模型模拟显示，颗粒相相比气相对挡板施加了更高的温度读档和更大的作用力。挡板结构失效归因于颗粒传热导致的热应力，而非射流的直接机械冲击。喷出颗粒源自电池内部材料。Liu等(2025b)分析指出高温颗粒会提升电池引燃概率，并提出采用金属网过滤喷出颗粒以降低电池引燃风险。该阻燃装置的性能受金属网孔径和层数影响，在电池荷电状态（SOC）低于80%时表现出一定效果。尽管该装置为抑制高温颗粒引燃可燃气体提供了创新性解决方案，但由于成本和安装可靠性问题，其工业化应用仍需克服诸多挑战。Liu等（2026）研究了外部加热与外部短路耦合滥用条件下电池的热失控与燃烧行为。外部加热可扳机电池热失控并喷射大量可燃气体但不会引发燃烧；在外部短路滥用条件下，这些可燃气体将被点燃。耦合滥用条件会导致更严重的电池热失控灾害。本研究系统考察了电池喷射可燃物及其引燃条件，为后续电池安全防护工作提供了重要依据。当前研究主要集中于电池热失控喷射行为，而高温颗粒加剧危害的作用机制仍不明确。2 battery. Model simulations revealed that particles imposed higher temperature loads and greater forces on the baffle than the gas phase. Structural failure of the baffle was attributed to thermal stress from particle heat transfer rather than direct mechanical impact from the jet. The ejected particles originate from internal battery materials. Liu et al. (2025b) analyzed that high-temperature particles would increase the probability of battery ignition, and proposed to use metal meshes to filter the ejected particles so as to reduce the risk of battery ignition. The performance of this flame-retardant device is affected by the pore size and number of layers of the metal meshes, and it exhibits a certain effect when the battery state of charge (SOC) is below 80 %. Although this flame-retardant device provides an innovative approach to inhibiting the ignition of flammable gases by high-temperature particles, there is still a long way to go before its industrial application due to the issues of cost and installation reliability. Liu et al. (2026) investigated the thermal runaway and combustion behaviors of batteries under the coupled abusive conditions of external heating and external short-circuit. External heating can trigger battery thermal runaway and eject a large amount of flammable gas without inducing combustion; the flammable gas is ignited under the condition of external short-circuit abuse. The coupled abusive conditions will lead to more severe battery thermal runaway disasters. This work has studied the flammable substances ejected from batteries and their ignition conditions, and provides valuable insights for subsequent battery safety protection work. Current research has mainly focused on the ejection behavior of battery thermal runaway, whereas the mechanism underlying the aggravated hazards induced by high-temperature particles remains unclear.
除了研究颗粒喷射行为外，学者们还聚焦于分析电池失效过程以及喷射物质的收集与元素组成。Zhang等（2019）收集并分析了50Ah LiNi0.6Co0.2Mn0.2电池，识别出碳、镍、铜、钴、锰、铝、锂等成分，其中近45%的颗粒物小于0.85毫米。细颗粒物对健康构成重大风险，因为更小的颗粒可深入呼吸道。此外，电池热失控过程中产生的颗粒物表现出一定毒性（Yang等，2021）。Wang等（2021）研究了50Ah电池颗粒物的氧化反应活性，发现更小的颗粒会增强氧化反应活性，可能加剧火灾风险。Zhou等（2023）进一步发现，喷射的石墨可能增加燃料费爆炸期间产生的超压。García等（2024）研究了LiNi2Co0.8Mn0.1不同荷电状态（SOC）下的电池热失控行为直接影响颗粒物组成。较高SOC水平下，更剧烈的放热与燃烧反应会提升碳材料和正极材料衍生颗粒的质量分数。Zhou等人（2025）研究了高倍率放电和过放电对软包电池热积累及结构劣化的影响。放电初始阶段的热量主要由焦耳热和极化热主导，后期则转为副反应热主导。这些副反应会引发集流体金属的溶解-沉积过程，导致正极颗粒断裂及晶格结构失稳。上述发现为高倍率锂离子电池热管理系统的开发提供了参考依据。该研究也为电池失效分析模式及残留物表征提供了若干启示。当前研究局限于对喷射颗粒的事后收集与分析，对于这些颗粒的动态形成机制与分布规律仍缺乏充分认识。尽管先前研究主要集中于颗粒表征，但对受限环境中颗粒的生成机制与沉积行为关注有限。0.1O2 batteries at different states of charge (SOC), finding that thermal runaway behavior directly influences particle composition. At higher SOC levels, more intense exothermic and combustion reactions increase the mass fraction of particles derived from carbon and cathode materials. Zhou et al. (2025) investigated the effects of high discharge rates and over-discharge on heat accumulation and structural degradation of pouch cells. Heat generation during the initial discharge stage is dominated by Joule heat and polarization heat, whereas in the later stage, it is dominated by heat from side reactions. These side reactions induce the dissolution-deposition process of the current collector metal, and lead to the fracture of cathode particles as well as the instability of the lattice structure. These findings provide a reference for the development of thermal management systems for high-rate lithium-ion batteries. This work also offers certain insights for the failure analysis mode and residue characterization of batteries. Current research is limited to the post-hoc collection and analysis of ejected particles, and there is a lack of sufficient understanding regarding the dynamic formation mechanism and distribution laws of these particles. While prior studies have mainly focused on particle characterization, limited attention has been paid to the generation mechanisms and deposition behavior of particles in confined environments.
尽管已取得这些进展，但从过程安全的角度仍存在显著缺口。多数研究聚焦于事故后颗粒的表征分析，而对颗粒生成机制——尤其是典型工业电池系统密闭环境中颗粒沉积行为的研究仍相对匮乏。颗粒的空间分布与积聚状态直接影响局部单元故障向整个工程系统灾难性事故的升级过程。本研究旨在通过分析基于热失控反应顺序演化的颗粒生成潜在机制来填补这一空白。高速成像技术捕捉了喷射过程，揭示了颗粒在气流中的动态运动规律。随后在密闭箱体内开展的热失控实验，考察了沉积颗粒的空间分布、元素组成及结构特征，验证了所提出的颗粒生成机制。本研究结果将为电池系统的安全运行提供可靠设计依据，并推动新能源产业过程安全的进步。
