CAT蓄电池双热源诱导LFP与NCM锂离子电池热失控传播特性及燃烧行为的实验研究
来源：
卡特蓄电池 发布时间：2026-03-18 14:56:37 点击： 次
引言
近年来，煤炭和石油等传统能源的日益短缺，加之环境污染不断恶化，推动了清洁可再生能源的发展[1][2]。其中，锂离子电池作为一种具有高能量密度、长循环寿命、低自放电率的可再生能源存储资源，已成为众多储能电站及电动汽车等领域的首选电池[3]。然而，锂离子电池的大规模应用也暴露出其固有的安全缺陷及对外部滥用条件的敏感性，这两者均可能引发热失控（TR）[4]。热失控是电池内部发生的剧烈自持电化学反应，通常伴随喷射火焰、大量可燃气体生成以及急剧热量释放。在典型滥用条件下——如过热[5][6][7][8]、机械滥用[9][10][11]和过充电[12][13][14]——锂离子电池极易发生热失控现象。在实际应用中，为满足高电压与大容量的需求，电动汽车、储能电站等系统通常采用由大量单体电池构成的电池模组。一旦单体电芯发生热失控（TR），其释放的剧烈热量足以引燃或加热邻近电池，从而触发模组内的热失控传播，最终导致整个系统失效甚至引发火灾或爆炸。此外，真实火灾场景往往涉及多个分布式热源。这些热源可能源于同时发生的内部故障、影响不同模组区域的外部热冲击，或是原发TR电池与外部热冲击的共同作用。例如在电动汽车事故中，单体电池热失控会向相邻电池辐射热量，同时周围燃烧部件蔓延的火焰从另一侧对模组进行加热，从而形成双热源条件。同理，在储能柜中，由母线接触不良引发的局部过热现象可能与相邻失效电池的热蔓延同时发生。因此，深入研究双热源条件下的TR传播机制，并识别影响传播过程的关键参数，对保障电池系统安全具有重要意义。
热失控（TR）通过热传导向相邻电池扩散，从而加剧危害[15]。众多学者对锂离子电池模组的热失控传播特性进行了深入研究[16][17][18][19]。Chen等人[15]采用过热触发法对6×6和10×10电池模组进行热失控传播实验，观察到电池表面温度可达700-1000°C，且多个电池同时燃烧加剧了燃烧速率，导致模组具有更大的质量损失率和热释放率。Li等人[20]研究了LiNi1/3钴1/3锰1/3不同荷电状态下的电池模组热失控传播特性。研究发现当单体电池SOC从100%降至50%时，相邻电芯间热失控传播时间显著延长，这归因于电池存储电能减少。Huang等[21]通过实验研究了镍2钴1/3锰1/3在不同加热功率和荷电状态(SOC)下的电池模块。结果表明，与SOC相比，加热功率对热失控(TR)行为的影响更为显著，这源于TR随加热功率上升而快速恶化的特性。Feng等[11]通过针刺试验研究了电池模块中的TR传播现象，指出TR传播主要受电芯间热传导驱动。Lamb等[22]进一步探究了不同电气连接方式对锂离子电池(LIB)模块的影响。他们报告称，热失控（TR）在串联模块中未发生传播，而在并联模块中则出现强烈的热失控传播现象。研究者提出，当热失控发生时，并联模块间的锂离子电池（LIBs）会存在电能转移。然而，既往关于电池模块热失控传播的研究主要集中于单热源触发机制，对更为复杂的双热源场景探索有限。因此，本研究将聚焦于双热源触发机制，以弥补这一认知空白。1/3O2 battery modules under varying heating powers and SOCs. Results indicated that heating power had a more significant influence on TR behavior than SOC, which is due to the rapid deterioration of TR with increasing heating power. Feng. et al. [11] studied the TR propagation in a battery module through needle penetration tests, concluding that TR propagation is primarily driven by thermal conduction between cells. Lamb. et al. [22] also explored the effect of different electrical connection methods on LIB modules. They reported that TR did not propagate in series-connected modules, whereas intense TR propagation occurred in parallel connected modules. They proposed the transfer of electrical energy between LIBs in parallel modules when TR occurs. However, previous research on TR propagation in battery modules has primarily focused on single source trigger mechanisms, with limited exploration of the more complex dual heat source scenario. Therefore, this study will concentrate on the dual source triggering mechanism to address this gap in understanding.
先前研究已对双热源条件下锂离子电池（LIBs）的热失控（TR）特性及传播行为进行了一定探索[23][24]。其中，Zhou等[25]研究了18,650圆柱形NCM811电池在不同荷电状态（SOC）下受双热源扳机触发时的TR传播行为。结果表明：双热源条件下锂离子电池达到TR的时间平均缩短952.3秒，显著提高了电池模块内发生TR的可能性。此外，随着SOC从25%增至100%，TR传播的扳机时间与温度均显著下降，而TR持续时间则大幅延长。多位学者还对LFP与NCM电池类型开展了系统的对比研究。通过对比NCM和LFP电池喷射火焰的动态演化过程，Huang等[26]提出了一种结合图像识别算法与非线性拟合的新方法，以此揭示喷射火焰的主导机制，并将该过程进一步划分为不同阶段。Liu等[27]观察到所有NCM电池均表现出自燃和热失控现象，且随着镍含量增加，热危害性加剧。相比之下，LFP电池展现出更优异的热稳定性，其热失控扳机温度更高且未发生自燃，仅出现电解液喷出现象。然而，目前关于双热源触发条件下LFP与NCM方形电池模组的对比研究仍较为匮乏。因此，亟需系统研究LFP与NCM电池模组在双热源条件下的热失控特性及传播规律，以进一步阐明该条件下电池系统内部热失控的热传递机制。
本研究详细探究了采用不同正极材料的锂离子电池在单一和双热源条件下的热失控传播特性。实验测量了与锂离子电池热失控相关的关键参数，包括温度响应、电压波动、扩展包力、质量损失及火焰高度。此外，通过分析双热源的热传递机制，计算了电池模组内部各构件的导热系数。研究结果丰富了锂离子电池模组热失控传播的理论认知，为事故调查提供了参考依据，并对电池模组的安全管理具有重要贡献。
