SSB蓄电池磷酸铁锂并联电池组热失控扳机机制与电荷迁移发生条件研究4电池
2026-03-26 08:53:04
热失控（TR）引发的安全问题仍是锂离子电池（LIBs）在电动汽车和储能系统中大规模可持续应用的关键障碍。%% 结果表明，当电池最低局部温度超过隔膜熔点（约130°C）时，会引发内部短路导致的电能转移，从而触发并联电池的过早TR。该过程绕过了隔膜熔化后通常观察到的放热反应。电能传输（通过电压与温度测量证实为并联电池组中TR提前发生的主导机制）始终集中于正极耳附近的上部区域，且与外部加热模式无关。此外，并联电池组间的电能传输量与上部区域温度分布呈强相关性：当局部温差从75.9°C降至12.3°C时，传输电能从5.82Ah增至22.79Ah。这些发现深化了对电气互联电池系统中TR触发机制的理解，并为含锂离子电池能源系统的安全设计提供了实用见解。
引言
交通运输与储能领域的电气化被视为缓解全球能源危机、实现碳中和的重要途径[1][2]。近年来锂离子电池（LIB）技术的进步推动了电动汽车与电化学储能系统的快速发展[3]。然而随着锂离子电池在这些领域的应用扩展包迅速扩大，与之相关的热失控（TR）安全问题日益凸显[4]。由于锂离子电池具有高能量存储密度且采用易燃材料，在异常工作条件下极易发生热失控，进而引发火灾或爆炸等灾难性事故。
作为锂离子电池储能系统的本质安全问题，热失控（TR）对其安全部署构成重大挑战[5]。热失控以过度产热和大量释放可燃气体为特征，由一系列放热链式反应驱动[6][7]。鉴于其严重的热危害性和潜在破坏性后果[8]，学界已投入大量研究阐明热失控的演变特征[8][9][10]、喷射现象[11][12]、燃烧行为[13][14]以及传播机制[15][16]。已有研究确定了热滥用条件下评估热失控发展的关键参数，包括自加热起始温度、热失控触发温度及最高温度[17][18]。通过解卷积分析，电极材料和全电池体系的热分解路径已得到进一步阐释[17]，而热失控过程中的产气组分已被证实主要由H2，CO，CO2以及碳氢化合物[18]。热失控过程中的排放与射流动力学已通过等熵流动理论得到描述，揭示了从壅塞流向亚音速流态的转变[19]。由于可燃气体的大量释放，甚至在热失控完全发展前就可能发生引燃，导致严重的火灾与爆炸风险。因此，锂离子电池的燃烧行为与火灾动力学特性也受到广泛关注。实验研究量化了热失控期间的热释放特征：50安时磷酸铁锂(LFP)电池的峰值热释放速率超过60千瓦[20]，并证实氢气与乙烯浓度升高会显著增加火灾与爆炸风险[21]。除燃烧特性外，热失控在单体电池内部及相邻电池间的传播机制也已得到深入研究。热传导被普遍认为是控制棱柱形电池内部热失控（TR）传播的主导机制[22]，而正极化学性质、火焰燃烧及电池排列方式则会显著影响电池阵列中的传播行为[16][23]。
尽管对锂离子电池（LIBs）的热失控（TR）行为已开展广泛研究，但现有成果主要集中于开路条件下的热失效现象，对电气互连（尤其是并联构型）影响的关注相对有限。由于单体电池的能量容量有限且标称电压较低，实际应用中通常需要将多个LIB通过并联或串联方式连接，以满足高电压与大容量需求[24]。在实际电池系统中（包括电动汽车和大规模储能装置），火灾事故往往与电气互联电池而非孤立电池发生的热失控（TR）事件相关。电气互联电池系统的广泛应用，由于电池间电热耦合作用而引入了额外的安全挑战。与开路条件相比，并联电池通常表现出更高的火灾风险及加速的热失控传播[25][26][27][28]。Gao等[29]发现电能可以从正常电池向发生热失控(TR)的电池传递，从而加剧热危害。徐等人[30]采用等效电路模型量化了转移的电能，并得出结论认为其对TR电池整体温升的贡献有限。周等人[31]证明并联电池间的电能传递可能提前在局部触发TR。鉴于此类电能传递通常具有局部性特征，并联电池间转移电流的特性预计对加热位置和区域高度敏感。然而目前尚无研究系统性地考察不同加热模式（特别是加热面积和位置的差异）如何影响并联电池的TR特性与电能传递特征。
此外，在并联电池系统中，一旦电能通过电气连接路径发生转移，热失控（TR）可能被过早扳机[32][33]。因此，识别热滥用条件下电能转移起始的临界条件，对确保系统级安全至关重要。迄今为止，由于涉及强烈的电-热耦合作用，并联构型中电能转移的调控机制及其在提前触发TR中的作用仍不明确。
本研究对并联LFP方形电池开展了系统的受控过热实验，通过消除电池间热传递以解耦电热相互作用。通过施加不同加热区域与位置，全面考察了加热模式对热失控（TR）行为及电能转移的影响。相较于以往关于并联电池组热失控的研究，本工作的主要创新点如下：
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阐明过热条件对并联电池组热失控（TR）触发与演变的影响机制。
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揭示并联电池组间电能传递的发生条件及其对加速热失控（TR）演变的关键作用。
