SSB蓄电池18650锂离子电池热失控特性及其耐燃机理研究
2026-03-24 17:40:48
本实验旨在通过金属网研究18650锂离子电池热失控特性及其阻燃机理。阐明了电池热失控瞬态发展过程与射流场特征参数之间的相关性。结果表明，电池热失控的严重程度与荷电状态（SOC）及其容量呈正相关。随着两者的增加，反应速率显著加快，电池短路时刻（）、安全阀开启时刻（k）、热失控发生时刻（热失控过程中的速度(m)、高度()、频率及温度峰值等参数被相继提出。n最大火焰射流的所有参数均呈现上升趋势。此外，金属丝网能有效阻隔射流火焰蔓延，且其阻隔效果明显受电池性能参数影响。随着电池荷电状态（SOC）与容量的提升，射流火焰抑制难度逐渐增加，阻燃失效概率也随之提高。反之，成功阻燃概率则显著提升。这种有效预防效果归因于金属丝网的气固流动屏障、吸热效应与壁面效应的协同作用。vmax), height (Hmax), frequency and temperature peak (Tmax) of maximum flame jet all presented an upward trend. Besides, the spread of jet flame could be effectively blocked by metal wire mesh and it was evidently affected by the performance parameter of battery. As the SOC and capacity of battery raised, the difficulty of jet flame inhibition was gradually increased, and the probability of flame resistance failure was also improved. On the contrary, the success probability was evidently improved. This effective prevention effect was attributed to the synergy effects of gas-solid flow barrier, heat absorption, and wall effect by the meth wire mesh.
引言
随着传统能源消耗加剧与环境污染日益严重[1][2]，新能源技术的研发需求迫在眉睫。锂离子电池凭借其高能量密度、大比容量、长循环寿命及环境友好等特性[3][4]，已广泛应用于新能源汽车和电化学储能领域。然而，锂离子电池热失控事故频发已引发高度关注[5][6]。其安全使用对相关行业发展具有决定性影响。因此，深入理解电池本体性能变化与其瞬态发展过程的关联性，并实现有效防护，对于推动和提升锂离子电池相关产业的安全高质量发展具有重大意义[7][8]。
学者们已开展大量研究以探究锂离子电池的热失控特性与火焰危害[9][10][11]。这些研究不仅关注电池本体特征参数的变化，如表面温度、电压、质量损失等[12][13][14]，还系统分析了喷射火焰的关键参数[15][16]。在众多影响因素中，电池荷电状态(SOC)与容量被视为两个关键参数。研究表明，SOC会显著影响锂离子电池的燃烧行为。较高的SOC通常表现为更大的质量损失和更高的热释放速率[17]。随着SOC升高，电池热失控温度也相应增加，释放的气体种类也更为复杂[18]。相关实验还指出，在25%、50%和75%SOC的电池状态下，分别检测到15、19和36类气体[19]。燃料费类别的增加加剧了燃料费燃烧爆炸风险及毒性危害，进一步表明SOC在热失控行为中的重要作用。此外，电池能力同样是影响热失控的关键因素。在实际电池组中，若将高能力电池混入低能力电池，可能加剧系统内差异，从而影响整个电池组的热稳定性，并增加热失控扩散风险[20]。研究还发现，电池在经历多次过充循环后性能会显著下降，且随着电池额定容量的增加，其劣化程度更为严重[21]。因此，高容量电池在电热滥用条件下的稳定性衰退现象更为突出。在实际应用中，必须严格加强对过充、过放等异常状态的管理与防护。
学者们还尝试了多种方法来抑制锂离子电池的热失控。有研究采用隔热材料包裹电池以降低其对邻近电池的热传递[22]，但实际隔热效果并不理想。同时，喷淋方法也被用于降低电池热失控时的火焰温度，并通过添加活性抑制剂来强化冷却与灭火效果[23][24]。目前主要使用的抑制剂包括全氟己烷、七氟丙烷、二氧化碳、干粉及细水雾等。研究表明，上述抑制剂可有效扑灭锂离子电池热失控火焰。其中细水雾与全氟己烷表现出更优异的冷却性能，但七氟丙烷和二氧化碳作用下的火焰会出现二次复燃现象[25][26]。此外，添加剂通过引发化学反应可增强细水雾对喷射火焰的灭火效率，其中无机盐添加剂较表面活性剂展现出更显著的抑制效率[27]。上述方法显然能够降低电池温度并有效阻断热失控蔓延。此外，还存在将两种抑制方法结合使用的技术路径。研究结果表明，水雾与多孔材料具有优异的协同抑制效果，其中玻璃棉对喷射火焰的抑制作用更为显著[28]。然而，上述策略大多主要依赖冷却效应，虽能延缓热失控发生，但对快速抑制热失控产生的扩散火焰仍存在局限性。目前学者们开始基于阻火器原理探索锂电池热失控抑制新方法[3][29]。在锂离子电池热失控过程中，阻火器成功阻断了被视为引燃源的高温喷射粉末触发喷射产物的过程。
综上所述，当前研究主要聚焦于锂离子电池热失控的燃烧特性，且多采用宏观参数进行表征，如燃烧行为、持续时间、热释放速率及产热量[30][31][32][33]。针对热失控过程中主控机制与燃烧动力学特性的深入分析相对不足，进一步导致难以揭示喷射火焰蔓延的动态特性及其影响机制。此外，关于采用屏障法有效抑制锂离子电池热失控喷射火焰的研究尚属有限。掌握锂离子电池喷射火焰的屏障特性与影响规律，可深入揭示其阻燃机制，并为防护装置的结构设计提供指导。传统防护方法主要通过喷洒抑制剂实现喷射火焰的抑制与扑灭，该方法需依赖精密检测装备与快速响应时间，同时会造成显著的外部损伤与破坏。阻隔防护法的核心目标是提升电池装备的本征安全性。该方法可增强对锂电池热失控的防护性能，降低喷射火焰造成的外部损害。目前存在多种结构各异的阻火器，但在热失控过程中喷发气体携带大量可燃性颗粒物，这对阻火器的结构设计提出了较高要求。该结构能实现有效阻火且具有一定穿透性，可避免下端压力急剧上升。由于金属丝网具有可控的结构参数和优异的淬熄火焰性能，在前期研究中已被证实对预防气体爆炸具有良好阻燃效果[3][34]。因此本实验选用该材料来阻隔锂电池热失控火焰。本文主要研究18650锂离子电池热失控特性及其金属网阻燃机制。通过结合温度场、速度场、产物分析及电池本体特性的变化，系统分析了热失控的综合防护过程。通过改变荷电状态(SOC)与容量，揭示了电池本体变化与射流场特征参数之间的关联规律，阐明了热失控行为的瞬态变化特性及阻隔防护的影响机制，重点探究了瞬态阻燃过程及其动态特征参数随时空演变的规律。
