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CAT蓄电池高倍率循环过程中电池微观结构退化与热失控传播机制研究

来源：卡特蓄电池 发布时间：2026-03-21 09:32:02 点击： 次
随着锂离子电池在高速率工况下的应用日益广泛，热失控（TR）及热失控传播（TRP）等安全性问题变得至关重要。本研究系统探究了高速率循环下电池的TRP动作。微观分析结果表明：经4C循环后正极材料结晶度下降32.95%，负极层状结构受损严重。数据显示，热失控间隔时间（Δ(003)/以4C倍率循环的电池组容量衰减幅度较1C循环组提升83.23%。同时，2#电池的最大质量损失率（ML）增幅达32.35%。我们进一步探究了电池间距对热失控传播（TRP）动作的影响：相较于零间距工况，1.5cm间距下2#电池的最高热失控（TR）温度降低26.21%；当间距从0cm增至1.5cm时，电池组质量损失减少20.73%。研究表明，质量损失率随充电倍率升高而增大，随电池间距扩大而降低。与1C循环的电池相比，4C循环的电池触发热失控（TR）所需的热量显著降低。当间距设置为0、0.6、1.5和2.1 cm时，对应降幅分别可达68.28%、70.10%、76.88%和26.15%。这表明2#电池经历高倍率循环后，仅需极低热量即可进入热失控状态。总体而言，高倍率循环与小间距会加速电池的热失控进程（TRP），并加剧其热失控严重程度。本研究可为储能系统的实际安全设计提供重要参考。(104) of the cathode are decreased by 32.95% and 13.01% after 4 C cycling, while the layered structure of the anode is seriously damaged. As revealed, the TR interval time (Δt) of batteries cycled at 4 C is decreased by 83.23% compared with that for batteries cycled at 1 C. Meanwhile, the maximum mass loss (ML) rate of Battery 2# is increased by 32.35%. We have further investigated the influence of battery spacing on TRP action. The maximum TR temperature of Battery 2# at 1.5 cm spacing is reduced by 26.21% compared with the value at 0 cm spacing. When increasing the spacing from 0 to 1.5 cm, the ML of batteries is reduced by 20.73%. ML increases and decreases with the elevation of the charging rate and battery spacing, respectively. Compared with a battery cycled at 1 C, a battery cycled at 4 C shows reduced heat required to trigger TR. The corresponding decreases can reach 68.28%, 70.10%, 76.88%, and 26.15% when setting the spacing at 0, 0.6, 1.5, and 2.1 cm, respectively. This indicates that Battery 2# can enter TR with much lower heat after high-rate cycling. Overall, high-rate cycling and low spacing accelerate the TRP of the battery and aggravate the TR severity of the battery. This work can provide insights for the practical safety design of energy storage systems.

图文摘要

研究了高倍率循环对电池结构的影响，并分析了不同循环倍率与间距条件下的热失控传播特性。

引言

锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、长循环寿命和低自放电率等优势，被广泛应用于电动汽车、储能系统和便携式电子设备领域[[1], [2], [3], [4]]。然而随着LIBs能量密度的持续提升，其热稳定性问题日益凸显，热失控（TR）及热失控传播（TRP）已成为电池安全领域的研究重点。热失控是指电池在过热、过充、短路或机械损伤等滥用条件下发生的不可控链式放热反应，这种反应会导致电池温度急剧上升，甚至引发燃烧或爆炸[[5], [6], [7], [8]]。
研究表明，锂离子电池（LIBs）的热失控（TR）受多种因素影响，包括荷电状态（SOC）、老化程度、老化环境等[9,10]。已有研究证实SOC对热失控严重程度具有显著影响。高SOC电池在发生热失控时会释放更多热量及可燃性气体，从而增加热失控传播（TRP）风险[11,12]。例如Fu等学者发现，当电池SOC超过50%时，一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO₂）生成量会随SOC升高而显著增加。2燃料费显著增加。因此，建议在运输过程中将电池SOC控制在50%以下[13]。电池老化会显著影响其热失控传播（TRP）特性，并引发重大安全隐患[[14],[15],[16]]。例如Ren等人发现，电池老化会显著改变负极材料的热稳定性并促进热失控（TR）发生，而正极材料的热稳定性变化较小[17]。Feng等人研究了不同环境下老化电池的热失控特性。结果表明，低温环境下老化的电池热稳定性比高温环境下老化的电池更差[18]。
学界普遍认为，热失控（TR）过程中的热量释放主要由三个依次发生的放热反应提供：首先，负极表面固体电解质界面相（SEI）层的分解及其后续还原反应；其次，隔膜烧毁引发的电极内部短路，同时伴随充电时储存在电池中的能量释放；第三，正极释氧及随后电解液与氧气反应引发的燃烧[[19], [20], [21]]。因此，电池的热失控（TR）不仅使电池本身处于高度危险状态，还会将热量传递给相邻电池，导致电池组发生热失控传播（TRP），引发多节电池相继起火或爆炸，释放高温、有毒气体和喷射火焰，造成严重的火灾与安全隐患[[22], [23], [24], [25], [26]]。为系统研究电池热失控现象并全面掌握其传播特性，研究人员已针对电池的热失控传播动作开展了相关研究。如既往研究所述，电池模块的设计参数（如电池间距、连接方式与排列布局）会影响电池的热失控传播（TRP）特性[[27], [28], [29], [30], [31]]。钟等学者发现，当电池间距增大时，相邻电池表面温度显著降低，表明间距提升可有效延缓TRP[32]。Lopez团队证实，更高的电池间距结合隔热材料能显著抑制TRP[33]。然而Wang等研究人员...指出在封闭环境中，当电池间距达到4 mm时，几乎不会发生热失控传播（TRP）；而在开放环境中，临界间距可能更小[34]。此外，电池连接方式也会影响TRP行为。Gao等研究发现，当并联模组中某单体电池发生热失控（TR）时，其他电池会通过短路向其放电，导致更剧烈的温升[35]。而串联模组的TRP主要依赖热传导进行，因此传播速度较慢。
然而在实际应用中，电池不可避免地会经历高倍率充放电过程。高倍率运行将加剧电池内部极化现象，导致局部过热与锂枝晶生长，从而增加热失控（TR）风险[36]。欧阳等学者研究了不同充放电倍率对电池TR行为的影响，发现随着充电倍率的提升，电池的热失控扳机温度降低，且TR强度增强[37]。刘等研究人员进一步指出，高倍率循环会加速电池老化，导致电极结构劣化和内阻增加，从而改变TRP特性[38]。此外，在充放电过程中，内部复杂的化学反应会改变电极材料的结构和性能，例如锂离子的嵌入与脱嵌、电极材料的结构形变以及应力的积累[[39], [40], [41], [42], [43], [44]]。随着循环次数的增加，电极材料可能面临疲劳、裂纹甚至脱落等问题，最终导致电池容量逐渐下降[45,46]。特别是在高倍率充放电条件下，这种衰减更为显著。然而，当前研究主要关注高倍率对TR特性的影响，针对经历高倍率循环后电池TRP特性的研究仍较为有限。因此，研究电池在高倍率循环条件下的热失控（TR）现象及其传播特性（TRP）具有重要科学意义。本研究对2#电池进行了不同倍率（1C、2C、3C和4C）下的100次循环测试。实验过程中，通过加热充满电的新电池（定义为1#电池）诱发其热失控，进而利用该热失控现象扳机2#电池的热失控。通过调控1#电池与2#电池之间的间距，系统研究了间距对电池热失控传播特性的影响，最终获得了临界传播间距。此外，本研究还探究了充放电倍率对循环电池热失控传播（TRP）特性的影响。通过对TRP过程中温度的深入分析，得出了热失控（TR）发生的温度预警值。%% 通过详细分析电池质量损失（ML），发现随着电池间距增大，ML呈下降趋势；而2#电池的ML则随循环倍率升高而增加。研究精确计算了从1#电池向2#电池传递的热量，更直观地揭示了倍率与间距对TRP的影响规律。%% 最后，通过微观形貌分析研究了高倍率循环后电池材料的形态变化。本研究对于理解高倍率循环电池的TRP特性及其预防策略具有重要启示意义。
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