储能型磷酸铁锂电池热失控过程中产热与燃料费生成时序分析

2026-06-02 11:45:55

荷电状况（SOC）对磷酸铁锂电池热失控（TR）进程中的能量开释强度具有明显调节作用。但是，SOC与产热产气时序及TR能量开释之间的映射联系仍缺少系统研讨。特别是SOC与热安全鸿沟的关联机制，以及LFP电池TR要害触发要素尚未明确，这制约了储能系统安全危险防控才能的提升。本研讨选用"资料-单体电池"层级的实验方法，探究了磷酸铁锂电池在不同荷电状况(SOC)下的热失控(TR)特性。经过剖析产热、燃料费开释与特征温度之间的多维关联性，阐清楚磷酸铁锂电池在不同SOC水平下触发TR的要害机制，为理解TR进程供给了全面的认识。研讨结果表明，磷酸铁锂电池中各类资料组分的放热焓值随SOC降低呈线性递减趋势。在50% SOC状况下，负极与电解液相互作用的热开释量高达1034.61 J·g⁻¹，而电池热安全临界状况出现在25% SOC时。100% SOC时的能量开释量是50% SOC时的2.47倍，是25% SOC时的6.09倍。触发热失控（TR）的要害机制随SOC变化而异：100% SOC时以负极与电解液间的氧化复原反响为主导；50%-75% SOC范围内，还需考虑由负极资料结合粘结剂与导电炭黑催化的氧化复原反响。这些研讨成果为提升储能系统安全规划、完善针对热失控（TR）的精准预警与防备战略供给了重要理论基础。
面临日益加剧的化石燃料枯竭与环境污染问题，电化学储能技能已成为新式储能系统中的要害性技能（Chombo和Laaonual，2020；Zhang等，2025b）。该技能不仅是能源结构转型与可再生能源高效整合的重要手段（Fang等，2021；Xie和Zhang，2025），更对保障能源安全、完成可持续发展以及推动经济社会绿色低碳转型具有核心作用（Huang等，2022；Liu等，2025a）。磷酸铁锂（LFP）电池因其明显的安全特性、长循环寿命和杰出的成本优势，已成为近年来快速发展的电化学储能系统首选（Huang et al., 2025; Liu et al., 2025b）。但是，LFP电池的热失控（TR）现象构成重大进程安全隐患，该进程伴随大量能量开释，或许触发储能系统内部的火灾与爆破（Wang et al., 2022; Wang et al., 2024b）。此外，可燃有毒气体的排放会造成严峻的环境威胁，或许导致大面积污染并产生重大社会影响（Drame et al., 2024）。
在遭受电气、机械或热乱用条件时，磷酸铁锂电池会进入自发热运转状况（Li等，2024a；Liu等，2025c；Wang等，2025b）。若未采取干预措施，内部能量的逐步堆集最终或许到达触发热失控（TR）的临界阈值（Wang等，2025a；Yang等，2025）。尽管储能系统已部署前期预警与监测技能（She等，2025；Wu等，2025），但热失控的临界条件及其特征参数会随荷电状况（SOC）产生明显变化。这种变异性对储能系统的精准预警与准确辨认提出了更大挑战。若电池运转进程中未能及时检测并缓解乱用条件，热失控（TR）将导致储能系统产生火灾与爆破（Wang et al., 2025e; Zhang et al., 2025a），如图1所示。现在，磷酸铁锂（LFP）电池在不同荷电状况（SOC）下产热与产气行为同热失控机理之间的映射联系仍不行清楚。
锂离子电池内部电化学反响进程复杂且难以解析（Wang等，2025d）。当时研讨首要经过解耦方法考察电池组件资料的产热行为，并使用要害特征参数探究热失控特性（Li等，2024b；Zhang等，2025c）。Choi等选用差示扫描量热法（DSC）研讨了碳酸亚乙酯（EC）与碳酸甲乙酯（EMC）混合系统中锂化石墨负极的热反响特性，对比了增加六氟磷酸锂（LiPF₆）与未增加系统的差异（Choi等，2008）。Kriston等结合DSC与热重剖析（TGA）及气体剖析技能，辨认出NCM电池在5°C至600°C区间内正负极产生的多重分化反响（Kriston等，2019）。Ren等选用差示扫描量热法（DSC）测验了单体电池组件及其混合物，阐清楚热失控机制并表征放热反响，辨认出包括固体电解质界面膜（SEI膜）分化在内的六大首要热源（Ren等，2018）。Kupper等结合DSC与加速量热仪（ARC）对圆柱形磷酸铁锂电池的高温行为进行了实验研讨（Kupper等，2019）。Feng等针对电动汽车商用锂离子电池的热失控机制展开研讨，发现内部短路是一切乱用条件下最遍及的特征（Feng等，2018；Feng等，2020；Feng等，2024）。Hou等对高镍NCM电池进行了绝热热失控测验，全面考察了资料的安全特性与热稳定性。研讨发现，正极氧化性与电池组件内热化学反响强度呈线性相关：内部反响开释能量越强，外部火灾爆破体现越弱（Zhao et al., 2024）。Liu等学者揭示了NCM电池中由内部燃料费穿插引发的热失控机制（Liu et al., 2018）。
综上所述，现有研讨已针对不同正极资料电池的热失控（TR）产热特性与机理展开讨论。但是，磷酸铁锂（LFP）电池的荷电状况（SOC）与热安全鸿沟之间的关联性，以及不同SOC条件下热失控要害触发机制仍未清楚。特别是在资料层级产热产气与电芯层级能量开释的多维映射联系方面，现在仍缺少针对不同SOC条件的系统性研讨。
本研讨选用"资料-电池"的研讨方法，探究磷酸铁锂电池在储能应用中的性能。经过同步辐射热剖析-质谱联用技能(STA-MS)表征不同荷电状况(SOC)下的资料特性，量化了多种资料间氧化复原反响的放热量，并剖析了SOC与产气时序的关联性。研讨明确了热失控(TR)进程中放热反响的序列，阐清楚不同SOC条件下LFP电池的首要产热机制，一起界定了热安全性与SOC间的临界鸿沟。使用加速量热仪(ARC)测定了包括在不同荷电状况（SOC）水平下，获取了单体电池的开路电压、温升速率和总能量开释参数，然后完成对不同SOC下热安全性与稳定性的评价。经过剖析产热量、产气量与特征温度之间的多性向关联性，阐清楚触发磷酸铁锂储能电池热失控（TR）的要害机制，为全面理解TR进程供给了理论依据。该研讨成果为优化储能电池安全规划、强化储能系统预警与防护战略供给了理论基础，有助于降低火灾与爆破事端的产生概率。₁, T₂, T₃, temperature rise rate, and total energy release were obtained for individual cells at various SOC levels, enabling assessment of thermal safety and stability across different SOCs. By analyzing the multidimensional correlation between heat generation, gas generation, and characteristic temperatures, the key mechanisms triggering TR in LFP batteries for energy storage were elucidated, providing a comprehensive understanding of the TR process. The findings offer a theoretical basis for improving the safety design of energy storage batteries and enhancing early warning and prevention strategies for energy storage systems, thereby reducing the occurrence of fire and explosion incidents.