对大型磷酸铁锂SSB蓄电池中热失控传播的加热功率效应的实验和数值研究
2026-08-05 20:31:53
锂铁磷酸盐（LFP）电池内的热失控传播（TRP）是该模块TRP工艺的重要组成部分，但目前尚不明确。这项工作通过实验和数值方式研究了243 Ah LFP电池因过热引起的热失控（TR）特性，以及加热功率对电池内TRP的影响机制。进行了一系列在400、700和1000瓦加热功率下的TR实验。峰值喷流速度与内部平均TRP速度之间的关系（）首次被揭示。结果显示，随着加热功率的增加，安全通风和TR时间缩短，而内部TRP时间延长。内部TRP速度更快的电池通常拥有更高的喷气峰值速度。两人之间的关系
加热功率为基于模拟结果。随着加热功率在200–1000瓦范围内几乎线性下降，随后进入类似平台的下降阶段。在临界TR状态下，随着加热功率的增加，TR区域的宽度会变宽。加速度低加热功率诱发的主要原因是非TR区域预热效果更佳。这项工作为LIB电池的安全设计提供重要指导。
简介
如今，全球温室效应和环境污染日益严峻的形势使减少碳排放成为全球共识。积极开发更清洁、更环保的能源正成为政府能源领域发展的重点。锂离子电池（LIB）被认为是一种先进的可再生能源储存介质，因其高效和清洁性被广泛应用于电动汽车和储能电站[1,2]。然而，由于与LIB热失控（TR）相关发生的巨大火灾和爆炸事故，他们的消防安全问题被推到了公众视野。
LIB在暴露于过热[3]、过载[4]、短路[5]和机械冲击[6,7]等恶劣条件下时，可能会出现热失控。在滥用条件下，随着温度升高，LIB内部的放热反应将依次启动[8,9]。固体电解质界面膜（SEI）将在90–120°C开始分解。 当温度超过120°C时，负极会失去SEI层的保护，与电解质发生反应。随后，分离器会熔化，进一步导致LIB内部短路，当其温度约为130–150°C时。 正材料在LiNi温度约210°C时分解1/3科1/3明尼苏达1/3O2电极。此外，电解质将在约200°C开始分解并释放一些可燃气体[10]。在上述一系列放热副反应的推动下，电池温度进一步升高，最终诱发TR行为。为了满足电压和容量的需求，大量单节电池紧密地排列在相对封闭的环境中，串联或并联。一旦TR在单细胞内被触发，细胞间TR传播（TRP）可能进一步引发灾难性危害，严重威胁人们的生命和财产。因此，TRP是当今LIB安全领域亟需解决的关键问题。
大量细致的研究致力于探讨细胞间TRP的特性和机制[[11]，[12]，[13]，[14]]。根据现有研究，影响TRP的典型因素可归纳为阴极材料[13,15]、电荷状态（SOC）[16]、电气连接配置[12,17]、滥用条件[18]、间距和电池形状[11]等。方形和圆柱镍钴锰酸锂（NCM）电池的TR传播速度远高于同形状的磷酸锂电池。缩小间距并增加电池的SOC会加速TRP速度[11,16]。此外，并联电池模块相比串联电池模块，由于电能通过电路径传递，其TRP速度和风险更高[14]。更重要的是，通过实验和数值建模揭示了TRP的机制。Feng等人[19]发现电池壳体的强烈热传递是电池间TRP的主要原因。Lai等[18]通过数值计算，壳体中的热传递占TRP中由三种不同虐待条件引起的TR总热量的7.3%–10.2%。
尽管关于LIB的TRP已有大量研究，但很少有研究聚焦于单个电池内的TRP。尤其是对于大型电池，电池内的TRP时间占据了整个模块TRP时间的不可忽视比例。在我们之前的研究[15]中，我们发现105 Ah LiFePO的内部TRP时间4SOC达到100%的炮台射程为111–159秒。电极材料显著影响了内部TRP速度。Li 等人[10]发现，内部TRP时间随着SOC的增加而增加。Finegan等人[20]利用高速射线摄影技术追踪了18,650电池内TR的起始和传播过程。Feng等人[21]通过使用钉子触发热失控和热电偶追踪其在细胞内的传播，实验性地研究了叶片电池中TRP的机制。他们还发现TRP的速度在1毫米到8毫米/秒之间波动，具体取决于电解质含量和高温气体扩散。TR前沿的速度可能与热导率和热产生率相关。赵等人 [22]。建立了描述内部TR传播过程的数值模型，并通过无量纲参数β将TR前方速度联系起来。众所周知，过热是引发TR最常见的疾病之一。然而，电池内部的TRP特性及过热诱导机制尚未揭示。电池所承受的加热功率在TR灾难中通常是随机且多样化的，尤其是在电池间TRP过程中，电池通过壳体承受的热传递功率通常较高。因此，加热功率是影响过热引起的TR特性的关键因素。Zhou等人[23]通过输入恒定的外部热能和不同加热功率，揭示了LFP电池的热特性，他们发现电池的最大温度和热量产生不会随着加热功率单调增加。Jin等[24]发现，高加热功率和小加热面积的加热方案在缩短加热时间方面最有能力。尽管上述研究在揭示加热功率对TR特性的影响方面做出了值得称赞的贡献，但关于不同加热功率诱导的内部TRP的研究仍然缺乏。我们之前的研究[1]揭示了NCM电池的TRP时间随着加热功率的增加而延长，但缺乏合理解释和证明其内部TRP机制，也缺乏对内部TRP过程中喷流速度的量化，这严重阻碍了我们对过热诱导内部TRP机制的理解。
本研究旨在填补关于加热功率对电池内部TRP因过热而产生的影响机制的知识空白，并澄清喷流速度与内部TRP速度之间的关系。在3种加热功率下，对243Ah棱柱式LFP电池进行了一系列外部过热实验。除了一些典型的TR特性，如温度、质量损失等，LFP电池在TR期间的喷流速度还通过使用皮托管对气体密度进行解耦获得。此外，通过数值建模实现了电池内TRP速度、输入热能和热功率之间的拟合关系。最后，分析了过热对内部TRP产生加热功率的影响机制。这些结果被期望为锂离子体热安全设计提供宝贵指导。
