CAT蓄电池过充-热耦合滥用条件下液态与半固态电解质的280 Ah磷酸铁锂电池热失控特性实验研究
来源：
卡特蓄电池 发布时间：2026-03-26 09:11:27 点击： 次
引言
锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命、低记忆效应和低自放电率等优势，已广泛应用于便携式电子设备、电动汽车、混合动力汽车及电网系统[1][2][3][4][5][6]。然而，由于电池内部含有易燃组分和强氧化剂，在机械滥用、热滥用或电滥用条件下易发生热失控(TR)[7][8][9][10][11][12]，可能引发火灾或爆炸。这类安全隐患已成为制约锂离子电池大规模应用的关键障碍。
热滥用作为最常见的现场失效模式之一，通常源于电池系统散热不良或连接点接触电阻增大。针对锂离子电池热滥用引发的热失控现象，学界已开展广泛研究，包括外部加热功率与加热位置的影响[4][13][14][15][16]。Fu等[17]研究了入射热通量对LiCoO₂和LiNiMnCoO₂电池放热率的影响，发现高入射热通量会因剧烈的热分解和失控反应导致更危险的情况。Huang等[18]在相同热通量条件下考察了加热位置的影响，研究表明侧向加热与底部加热的电池相比大面积加热电池会经历更高的峰值温升。Quintiere [19]提出了一种量热法，用于测量不同加热功率和荷电状态（SOC）下热失控过程中释放的放热能量，并指出加热功率对喷射物质质量和能量具有显著影响。
除热滥用外，过充是导致热失控（TR）的另一主要因素。大量研究探讨了过充诱发热失控的机理[20][21][22][23][24]。Ye等[25]指出热失控起始时间随过充倍率升高而缩短，表明较高充电倍率下电池热稳定性降低。Zhang等[26]发现自发热温度随过充程度加深而下降，反映出电池安全性恶化。Zhong[27]研究了18,650 NCM电池在不同荷电状态（SOC）下的动态热行为，发现阻抗随SOC升高而增大，使得高SOC电池蕴含更多能量且更易发生热失控。
普遍认为荷电状态（SOC）对锂离子电池的热安全性具有显著影响。Lu等[28]研究了不同SOC水平下NCM电池的热失控特性，其结果表明：随着SOC升高，电池自热速率显著增加，同时热失控起始温度降低，导致热失控风险急剧上升。Gajan等[29]指出，在高电极电位条件下，过渡金属溶解及相关"交叉污染"过程更为明显，这表明升高的SOC会加剧电极间化学串扰。
在实际应用场景中，电池常暴露于热滥用与电滥用耦合的严苛条件下。近期研究探讨了充电速率[30][31][32]、加热功率[33]以及环境温度[34]对热失控演变的影响。Zhao等[35]通过EV-ARC实验研究了21,700圆柱电池在不同荷电状态(SOC)下侧向加热的热失控特性，发现较高SOC会导致电压掉落时温度降低，且更易引发内部短路。Guo等[36]对18650圆柱电池进行了过充-热耦合条件下的过充电测试，发现提高充电速率会加剧产热和燃料费生成，但由于充电阶段与副反应的共同作用，总产热量和燃料费产量与充电速率呈非线性关系。Meng等[37]指出，较高的环境温度会缩短排气和热失控（TR）时间，但由于充电时长缩短，总产热量反而减少；而更高的充电速率则会强化充电过程中的产热强度。然而，当前关于过充-热耦合的研究主要集中于过充电和热滥用对热失控（TR）特征与现象的影响。在过充-热耦合条件下主导TR触发的关键机制与转化条件仍不明确，需进一步深入研究。
尽管学术界已对锂离子电池热失控（TR）行为开展了广泛研究，但多数研究聚焦于TR特性、现象及内在机理，针对TR临界状态的探讨相对有限。例如，Ren等[38]通过四种荷电状态（SOC）和十种加热板配置对NCM与LFP电池进行实验，明确了不同加热功率水平下的临界功率阈值及安全充电边界。Wu等[39]通过分析峰值传热功率、热失控起始温度及荷电状态依赖性，探究了不同SOC下的热安全边界。Song等人[40]在绝热热失控实验中采用分岔分析方法，确定了热失控临界温度与临界能量阈值。Lalinda等[41]对电池施加过充与热滥用复合工况，考察了宽范围荷电状态（0-200%）和环境温度（25-100°C），揭示了滥用区域的极限温度与荷电状态阈值。尽管取得这些进展，仍存在两个关键研究空白：（1）缺乏对相同正极材料但不同电解质体系电池安全边界的对比研究；（2）对过充-热耦合条件下安全边界动态演化规律的认识不足。
固态锂离子电池因其高热稳定性且消除了液态电解质相关的泄漏风险[42][43]，被视为提升电池安全性的重要解决方案。然而，其较低的离子电导率和较高的生产成本往往限制了实际应用[44]。作为过渡技术，半固态电池通过缓解电解质与电极间的界面接触问题，已获得广泛研究。Ping等人[45]探究了不同加热位置对热失控特性的影响，发现正极热滥用会引发完全热失控，而负极热滥用仅导致部分热失控。Lin等人[46]对比了LFP与SSLFP在不同环境条件和荷电状态下的热失控行为，表明SSLFP电池具有更慢的温升速率、更低的燃料费释放量以及气体成分中氢气占比更低的特性。Qiu等人[47]对NCM/石墨锂离子电池与锂金属半固态电池进行了对比研究，结果表明后者具有更低的自发热起始温度，但伴随更严重的热危害。尽管取得这些进展，针对半固态电池热失控特性的研究仍显不足，尤其在过充-热耦合条件下更为匮乏。
本研究旨在通过两个主要目标填补这一研究空白：(1) 探究不同加热功率对280 Ah大容量LiFePO₄电池和半固态电池在0.25C过充条件下热失控（TR）行为的影响，重点关注加热功率在过充诱导副反应中的作用；(2) 确定不同加热功率下电池的荷电状态（SOC）安全边界，并量化相关能量流动。研究分析了热失控特征温度、特征时间、质量损失及电压变化等关键参数。研究结果为了解热-电耦合条件下热失控的演变过程及其内在机制提供了重要见解，并为提升锂离子电池运行安全性提供了指导依据。
