电池储能系统中液态电解质诱发电弧生成机制研究

2026-06-03 19:30:39

锂离子电池储能体系中的电解液走漏或喷射可能触发二次电弧，并在热失控进程中加重体系级危害蔓延。本研讨规划了一个实验平台来研讨热失控喷射物诱发的电弧现象，经过高速成像技能捕捉完好的动态演化进程。实验中选用1 mol/L LiPF6在EC:DMC:EMC=1:1:1体积百分比的液态电解质作为两电极间环境介质的条件下，选用300V供电电压、20Ω读档电阻和1mm电极距离的模拟电池体系，观察到了电解质诱导电弧现象。研讨发现液态电解质会明显下降电极间的临界击穿电压。经过调理电路参数、电极距离及电解质组成，并关联临界击穿电压与电解质电导率的关系，说明晰诱导电弧的生成机制。实验证明电解质电导率是电弧发生的要害参数。这些发现为储能电池安全规划的优化供给了重要实验根据，并为制定电池体系电气危害的主动防控战略供给了指导。

图形摘要

锂离子电池（LIBs）凭借其高能量密度、长循环寿命、低自放电率和可回收性[[1], [2], [3], [4]]，已成为电池储能体系（BESSs）和电动汽车（EVs）范畴的主导储能技能。然而由热失控（TR）引发的LIBs火灾事故频发，不仅引发严重公共安全隐患，更成为制约锂电职业可继续发展的要害瓶颈[5,6]。
导致锂离子电池热失控(TR)的安全隐患首要可分为三类：热乱用、电乱用和机械乱用[[7], [8], [9]]。为此，研讨人员正采取一种综合性战略，包括电池材料改善[10,11]、强化热办理[[12], [13], [14]]、巩固热障[15,16]以及智能预警体系开发[[17], [18], [19]]。这种多管齐下的方法旨在有用抑制热失控并阻断其危害传播。
值得注意的是，随着电池储能体系(BESS)和电动汽车(EV)作业电压的继续提升，电气安全中的电弧毛病问题日益凸显[20]。电弧作为一种气体放电现象，其温度可超越6000K的极点值。研讨标明，电弧毛病已成为导致电池失效和热失控的新危险要素，对电池体系安全性构成严重挑战[21]。
2021年7月，澳大利亚300 MW/450 MWh Victorian BESSs发生了一起火灾事故[22]。后续调查报告显现，该事故由热办理体系中冷却剂走漏引发的电弧触发，继而导致电池TR并终究引发火灾。值得注意的是，此类电弧事情通常由影响电池的外部要素引起。此外，包括衔接松动、电接触不良以及衔接器机械断裂在内的其他外部要素，已被确以为相似电弧毛病的潜在扳机[21,23]。
文献[24,25]中发现，电动汽车热失控(TR)进程始终伴随明显的烟雾排放，并伴有火花或电弧放电现象。这些危险现象确凿地证明晰电弧发生与热失控进程存在本质关联。
TR作为锂离子电池（LIBs）电弧发生的要害时刻分界点[[26], [27], [28]]。在TR发生前，初级电弧由外部要素（电气/机械毛病）引发。而在TR进程中，结构变形与高温材料喷溅的协同效果会严重破坏电气绝缘功能：结构变形会逐步缩减极间间隙，而喷溅物（如固体颗粒与液态电解液）则会直接危害介电完好性并暴露电极外表。这些喷溅物在高压环境下充当电极距离的填充介质。此类电弧被称为次级电弧，归于电池体系的次生灾害问题，与图1所示的初级电弧灾害问题存在本质差异。
在电池体系一次电弧与二次电弧的研讨范畴，已有部分研讨致力于说明其独特特性与内涵机制。针对电池体系的一次电弧现象，徐等人对方形电池和圆柱电池端子的电弧现象进行了探求[23,27]。经过体系分析一次电弧特性及其与电池的电热耦合效应，研讨者明确了电弧诱发的失效路径。尤为重要的是，他们证明继续暴露于一次电弧会直接触发方形电池的热失控（TR）[27,29]。孔团队则专门模拟了防爆阀处的一次电弧毛病[30]。虽然电弧未直接引发热失控，但继续效果会破坏电池外壳并导致电解液走漏，终究形成电池失效。
关于电池体系中的二次电弧现象，Li等学者对锂离子三元(NCM)电池开展了热失控实验，并收集喷射出的固体颗粒用于后续电弧诱导研讨[26]。其研讨结果标明，在电极距离为1 mm的条件下，仅需99 V电压即可触发二次电弧。经过体系分析电极距离与颗粒尺寸等要害要素，作者进一步确立了颗粒诱导二次电弧的失效阈值。Kong等研讨者模拟了电池热失控事情中喷射颗粒诱发二次电弧的实际场景[28]。实验数据证明，在施加电压≥50 V且电极距离3-5 mm的工况下，能够稳定可靠地诱导出二次电弧。
在热失控(TR)进程中，磷酸铁锂(LFP)电池首要喷射液态电解质和气态产品，其固体颗粒排放量明显低于镍钴锰(NCM)电池[31,32]。这一本质差异标明，在NCM电池中观察到的固体颗粒诱发电弧机制，不能直接用于解说LFP电池体系的二次电弧现象。在气体排放物中已检测出多种组分，其中氢气(H2)2、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)2短链碳氢化合物是其首要成分[33]。但这些气体排放物无法明显下降电极距离的电气绝缘功能[26]。因而可推断液态电解液可能诱发电池储能体系中的二次电弧。除喷溅电解液外，电池绝缘失效或壳体破损导致的电解液走漏，也为电弧诱发供给了另一种可能性。
图1展现了由电池热失控（TR）引发二次电弧生成的潜在危险要素。完全充电的磷酸铁锂电池在TR进程中峰值温度可超越600°C[34]，而喷射物质的温度会更高。如图所示，这些极点热条件足以降解电池体系内多数电气元件上的绝缘涂层，致使暴露的载流部件实质上成为电弧电极。高速喷射物冲击与热变形的复合效应还会危及要害集流体（极耳和母线）的结构完好性，明显减小电极距离。
值得注意的是，虽然磷酸铁锂电池在热失控（TR）进程中很少出现火焰喷射现象，但任何二次电弧事情都可能瞬时点燃电解液蒸汽与可燃性燃料费，终究导致火灾在整个体系中蔓延。因而，鉴于电池储能体系（BESSs）中二次电弧的潜在危险，亟需说明电解液是否及怎么明显下降二次电弧的临界击穿电压（CBV）。这一认知关于提升电池储能体系的电气安全性、预防突发火灾事故至关重要，从而填补了该范畴的要害研讨空白。
因而，本研讨体系性地研讨了BESS中由电解质喷射和走漏引发的二次电弧感应现象，特别聚集于电解质诱导电弧的动态生成进程、特征行为、边界条件及其效果机制。首要，规划并搭建了一套能够模拟液态电解质诱导电弧的实验装置与测验平台；随后，选用高速摄像技能精确捕捉电弧动态生成进程，揭示了电解质诱导电弧的内涵机理。此外，经过受控实验探求了电解质诱导电弧生成的要害条件，定量分析了电路参数与电解质物理化学特性对二次电弧生成特征的耦合影响。