场域老化磷酸铁锂电池过充条件下的热失控特性实验研究与定量风险评估4电池组
来源：
卡特蓄电池 发布时间：2026-04-07 09:29:21 点击： 次
引言
随着全球气候持续恶化与能源危机加剧，交通运输业正加速从传统内燃机向电动汽车转型[1]。锂离子电池凭借高能量密度、低环境污染等优异性能，已成为电动汽车不可或缺的核心能源载体[2]。电池在长期运行过程中必然会发生老化，进而影响其安全性能。尤其在过充等极端条件下，老化可能显著改变电池的热响应行为与燃料费释放特性。此外，随着大规模装备更新和消费品以旧换新政策的持续推进，废旧锂离子电池回收及二次利用产业快速发展。因此，研究老化对动力电池热失控行为的影响及其在过充条件下的危险演化规律具有重要现实意义。
近年来，老化锂离子电池对TR（热失控）的影响受到广泛关注。Yuan等[3]通过恒温循环将18,650型LMO电池老化至不同容量保持率，研究了其在过充条件下的TR特性。研究发现TR扳机时间与容量保持率呈负相关，且触发后电池表面温度急剧上升。Wang等[4]采用低温循环方式将NCA电池老化至不同SOH（健康状态）水平。他们通过加速量热法、气相色谱分析和热成像技术，系统分析了热失控（TR）与燃料费（Gas）释放行为，发现燃料费释放量在70%荷电状态（SOH）时达到峰值。Tong等[5]采用5C电流对高低温老化电池进行过充实验，结果表明高温老化电池的热失控风险较低。Zhao等[6]研究了不同连接方式下循环老化模组的热失控传播（TRP）特性，指出老化会加剧热失控过程中的电压掉落（Drop）并降低热扩散能力。尽管已取得诸多研究成果，动力电池在实际应用中的老化过程仍受温度、工况条件及电池类型等多重因素影响。此外，现有研究多集中于小容量单体电池，难以准确复现大容量电池的老化状态。因此，关于过充条件下老化大容量动力电池热失控（TR）行为的系统性研究仍显不足。
在热失控（TR）过程中，燃料费释放与毒性是影响电池安全性的关键因素。Huang等人[7]对比分析了镍钴锰（NCM）与磷酸铁锂（LFP）模组的TRP特性，发现NCM模组会产生剧烈喷射火焰与燃烧现象，而LFP模组仅观察到白色烟雾释放。通过对比分析无性向气体及其毒性，他们发现NCM模组的燃料费产量与毒性均高于LFP模组。Jia等人[8]监测了LFP电池在过充与过热条件下TR过程中多种有害气体（如H₂、CH₄、C₂H₄、CO及CO₂）的释放演变规律，指出过充电会促进气体早期释放并加剧毒性水平。老化会使电池内部固体电解质界面（SEI）膜增厚，从而影响内部燃料费产生与毒性释放。
基于对锂离子电池热失控行为与危害特性的深入研究，科学系统地评估其安全性已成为关键研究方向之一。Bi等[9]采用不同过充速率方法研究了NCM电池的TR燃烧特性，建立了基于充电速率、时间、温度及电压参数的过充相对安全状态判定评估方法。结果表明，在高倍率过充条件下，电池安全等级随无量纲时间呈近似线性下降趋势。Jia等[10]和Wang等[11]采用时间和热失控温度等五个关键参数评估NCM电池在过充工况下的安全性。Hu等[12]运用故障树分析法追溯电动汽车事故根源，建立了电池检测内容层次分析（AHP）模型，并对电池测试项目的重要性进行比较。Wei等[13]综合热力学与气体科学理论，构建了评估电池灾变演化全过程安全性的框架。该评价体系包含实验测量与理论计算所得的多个特征参数。鉴于电池热失控诱因及其严重程度的多样性与复杂性，通过多参数融合来综合评价电池热失控危险性至关重要。
综上所述，现有研究主要聚焦于锂离子电池的老化机理、热失控（TR）触发机制、热响应特性及产气行为。然而针对实际服役后的老化大容量动力电池在过充条件下的热失控与气体释放规律，仍缺乏系统性研究。老化会导致电芯性能差异加剧、电池间一致性下降，从而显著增加规模化应用时的安全隐患。因此，亟需揭示老化大容量动力电池在实际工况下的热失控行为与安全特性。
本研究以实际使用后的老化磷酸铁锂(LFP)电池为实验对象，在过充条件下开展热失控(TR)实验，并与全新电池进行对比分析。重点考察了老化模组在热失控过程中的关键特征，包括图像演变、表面温度、电压变化、燃料费释放及毒性变化等指标。在此基础上，对电池安全性能进行定性与定量评估，旨在为老化电池的安全管理及热失控防护设计提供理论支撑与实验依据。
