SSB蓄电池考虑气体与颗粒质量损失的锂离子电池热失控变密度建模

2026-04-10 20:07:18

锂离子电池（LIB）热失控（TR）过程中的多相材料喷射是触发热失控蔓延（TRP）与燃烧的关键路径。然而，精确模拟该现象存在两大挑战：其一，喷射气体与颗粒物之间的能量-质量耦合机制尚未充分阐明；其二，传统恒定密度模型无法反映持续质量损失，导致温度预测出现显著偏差。为解决上述问题，本研究提出了一种将电池质量损失与密度演变相耦合的机制。基于质量损失建立了可变密度控制方程，从而能够精确模拟热失控（TR）过程中电池温度演变与燃料费喷射特性。该模拟模型与实验数据高度吻合，峰值温度误差低于10%，所有TR特征温度的时间误差均控制在4%以内。模型进一步预测喷射速度可达797 在排气通道内测得射流速度为m/s，最高射流温度达1467°C，精确捕捉了高速高温射流喷射现象。研究结果表明，该建模方法能有效复现热失控（TR）过程中的温度演变与射流形态特征，为电池系统热风险评估及结构优化提供了更精确的理论工具。

引言

随着清洁能源技术的快速发展，锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、长循环寿命和低自放电率特性，已成为电动汽车和固定式储能系统的关键储能技术（Lin等，2022；Chen等，2024；Chen等；Sun等，2023；Zhao等，2024；Shen等，2025a；Shen等，2025b）。然而在极端运行或滥用条件下，LIBs易发生热失控（TR），其特征表现为热量急剧积聚、可燃气体剧烈喷发，并可能引发火灾或爆炸（Feng等2017年研究指出，Yang等人(2024)、Chen等人(2025)的研究进一步证实，此类事件不仅危害系统安全，更阻碍大规模电气化部署(Feng等人，2014)。最新统计数据显示，高达60%的电动汽车火灾源于热失控(TR)事件(Yuan等人，2021；Li等人，2024a；Yang等人，2025；Huang等人，2024)。因此，深化对TR的机理认知并提升其预测能力，对保障高能电池系统的安全可靠性至关重要(Vashisht等人，2024)。
热失控（TR）通常始于高温下隔膜熔融或电极变形触发的内部短路，导致热量急剧释放和气固混合物剧烈喷出（Han等，2025；Qiao等，2025；Feng等，2019；Gupta等，2024；Huang等，2025a）。在此自加速阶段，大量热量与高压气体生成并形成高速射流，可能引燃电池包内可燃组分（Zheng等，2018；Golubkov等，2015；Golubkov等，；Zhu等，2025；Zhao等，2020）。实验研究表明，热失控（TR）传播常伴随火焰喷射、压力骤升甚至模组级爆炸现象，对储能系统构成严峻的工艺安全风险（Zhao et al., 2020; Song et al., 2023; Xu et al., 2024; Zhou et al., 2022; Huang et al., 2025b）。Gong等（Gong et al., 2023）通过数值模拟证实，局部温度骤升与泄放燃料费射流会加速热失控在相邻电池间的传播；而Tang等（Tang et al., 2023）与Ping等（Kong et al., 2023）的研究则进一步......研究表明，有效的绝热与冷却策略能显著抑制此类传播并降低爆炸强度。这些发现表明热失控（TR）不仅是热化学不稳定性现象，更是一种涉及热量、燃料（Gas）与压力强耦合作用的多相释放过程。因此，精确建模这些耦合过程对于预测热失控演变、指导泄爆口设计、热障系统开发以及其他旨在预防灾难性事故的工艺安全措施具有关键意义。
为阐明热失控（TR）及其传播的复杂机制，研究者已开发出多种建模方法，其演变轨迹从简化的热传导框架逐步发展为多相流耦合模拟。Feng等（Feng et al., 2016）利用加速量热仪（ARC）数据构建了三维传播模型，实现了模块级传热预测的精准化。Jiang等（Jiang et al., 2020）提出基于RC电路类比的热阻网络模型，用于电池包尺度的快速评估。Wu等（Wu et al., 2024）则...采用温升速率驱动模型评估系统级敏感性，而Lyu等人(Lyu et al., 2023)则将电化学加热效应整合至集总热模型中研究单体层级热失控行为。然而，这些传统方法主要考虑固相传导，忽略了对流与射流诱导传热效应，导致峰值温度、压力积聚及喷发后冷却行为的预测存在显著偏差。为克服这些局限，近期研究将燃料费泄放与射流动力学纳入热失控模型构建。Mao等人将基于阿伦尼乌斯方程的燃料费生成动力学与等熵流动理论相融合，以描述泄放动态；Wang等（Wang et al., 2023）则开发了CFD-热阻网络混合框架用于评估燃料费扩散与爆炸风险。Zhao等（Zhao et al., 2023）通过耦合热力学与射流子模型揭示了火焰分级行为，Zhang等（Zhang et al., 2023）则...建立了结合热分解、燃料费喷射、颗粒输运与辐射效应的多性向物理模型。Shen等人(Shen et al., 2024)提出了一种能够解析局部热扩散与高速射流的排气驱动传播模型。这些研究共同推动了TR建模从单电池热力学向实际系统尺度模拟的发展，为预测性安全评估及面向工艺安全的电池设计奠定了坚实基础。
尽管在模拟TR行为方面取得了显著进展，但现有大多数基于排气设计的方法仅考虑气相因素，忽视了电极碎屑和隔膜片段等固体颗粒物的存在及其影响。实验证据表明，这些颗粒物在喷射物总量中占比显著，且携带可观焓值，从而影响局部动量交换与对流传热过程。忽略这些效应将导致对质量流率、射流密度衰减及对流效率的系统性低估，从而限制TRP分析的预测精度。这些差异主要源于快速变化的密度和温度条件下多相流模拟所伴随的高计算成本与数值不稳定性。为解决这些挑战，本研究开发了一种可变密度多相TR模型，该模型在统一瞬态框架内显式耦合了质量损失、密度演化与能量-动量输运过程。该模型整合了固相生热、燃料费排放和颗粒喷射机制，精确再现了热失控（TR）事件中的温度演变过程与喷射形貌特征。相较于传统的恒定密度方法，本模型通过捕捉密度降低与对流增强之间的动态反馈效应，使峰值温度预测偏差小于10%，并准确复现了实验中观测到的特征温度时序。因此，理解和模拟热失控过程中热-质-动量耦合行为，对于开发电池储能系统（BESS）及电动汽车充电基础设施的定量风险评估模型与安全屏障至关重要。所提出的变密度模型建立了基于物理机制的框架，可集成应用于工艺安全设计领域，例如泄爆口尺寸确定、热危害分区规划以及紧急泄压策略制定。