关于液氮惰化对多节280安时LFP电池热失控现象影响的研究

《Journal of Energy Storage》：The study on the effect of liquid nitrogen inerting on the thermal runaway of multiple 280 Ah LFP batteries

锂铁电池热失控抑制中液氮的双重作用机制及工程应用研究。实验表明液氮通过快速冷却（表面温度降低率>80%）和惰化（氧气浓度降至6.2%）双重机制有效抑制热失控，在模拟气体环境和真实场景中均能防止爆炸。但大容量电池因散热需求高和气体扩散快，液氮的惰化环境均匀性受影响，需优化喷射系统。

　　在当今能源转型和可持续发展的背景下，锂离子电池因其高能量密度和长使用寿命，被广泛应用于电动汽车、便携式电子设备以及电化学储能系统等多个领域。然而，随着这些电池容量的不断增大，其潜在的安全风险也日益凸显，尤其是热失控（thermal runaway）现象的发生，可能引发火灾甚至爆炸，对人员安全和设备运行构成严重威胁。因此，如何有效预防和控制热失控成为研究的重点。

热失控是指电池内部化学反应产生的热量无法及时散出，导致温度持续上升，最终引发不可逆的连锁反应。这种现象在高容量电池中尤为显著，因为其结构复杂、能量密度高，一旦发生热失控，释放的热量和气体将迅速扩散，加剧事故的严重性。传统的热失控抑制方法主要包括使用化学惰性气体、物理隔离屏障以及冷却技术。然而，这些方法在面对高温环境和快速热失控传播时，往往存在响应滞后、抑制效果有限等问题，难以满足现代储能系统对安全性的高标准要求。

近年来，液氮因其极低的沸点（-196℃）和良好的惰性特性，逐渐成为一种备受关注的热失控抑制手段。液氮的快速冷却能力可以迅速降低电池表面温度，从而延缓热失控的传播。同时，液氮蒸发后形成的氮气环境能够有效隔绝氧气，抑制燃烧反应的持续进行。这种双重作用机制使得液氮在热失控抑制方面展现出独特的潜力。尽管已有研究证实液氮在小容量电池中的抑制效果，但在实际应用中，尤其是针对大容量电池（如280Ah的磷酸铁锂LFP电池），其抑制性能和实际效果仍需进一步验证。

研究团队在本项目中，搭建了一个模拟实验舱，用于开展液氮对多组280Ah LFP电池热失控的抑制实验。实验设计涵盖了模拟气体环境测试和真实电池热失控场景，旨在全面评估液氮的冷却和惰化效果。在模拟实验中，引入14.58kg的液氮，使实验舱内的氧气浓度从初始的18.3%迅速降至6.2%，有效降低了可燃气体的燃烧风险。而在真实电池热失控场景中，液氮的注入同样能够维持较低的氧气体积分数，从而避免爆炸的发生。

实验结果显示，液氮不仅能够显著降低电池表面温度，还能通过形成氮气环境，隔绝氧气，从而有效抑制热失控的传播。然而，由于大容量电池在热失控过程中释放的热量和气体远多于小容量电池，其热失控行为更为复杂，对液氮冷却系统的响应速度和抑制能力提出了更高要求。此外，大容量电池的热容量较大，使得其在热失控初期的温度上升速度更快，进一步增加了抑制难度。因此，如何在实际应用中优化液氮的冷却系统，使其能够快速、均匀地降低大容量电池的温度，成为当前研究的关键。

为了深入探讨液氮在大容量电池热失控抑制中的作用机制，研究团队对不同加热功率、电池状态（SOC）、注入方向和注入时间等条件进行了系统分析。实验发现，随着电池SOC的增加，热失控过程中释放的可燃气体浓度和爆炸极限范围也相应扩大，使得抑制难度增加。同时，液氮的注入时间越短，其对电池表面温度的平均冷却速率越低，这表明在热失控初期迅速注入液氮对于抑制效果至关重要。此外，研究还发现，在相同注入量下，间歇性注入液氮比连续注入更有效，这可能与液氮在实验舱内形成的氮气环境的扩散速度和持续时间有关。

在实验过程中，研究团队还注意到，大容量电池在热失控期间释放的大量气体和热量可能会影响液氮形成的惰化环境的均匀性，从而降低其抑制效果。因此，除了优化液氮的注入方式和量，还需要考虑如何在实验舱内实现更均匀的气体分布，以确保液氮能够充分发挥其冷却和惰化作用。此外，由于大容量电池的热容量较大，其在热失控过程中的温度上升速度较快，使得仅依靠理论计算难以准确预测液氮的冷却效果，必须通过实际实验来验证其性能。

本研究通过建立模拟实验舱，对280Ah LFP电池的热失控抑制效果进行了系统评估，不仅验证了液氮在实际应用中的有效性，还揭示了其在大容量电池中的应用局限。实验结果表明，液氮能够在一定程度上降低电池温度并减少氧气浓度，从而有效抑制热失控的传播。然而，由于大容量电池的复杂性和热失控的动态特性，液氮的抑制效果仍受到多种因素的影响，包括实验舱的设计、液氮的注入方式以及电池本身的物理和化学特性。

为了进一步提升液氮在大容量电池热失控抑制中的应用效果，研究团队建议未来的研究应更加关注液氮冷却系统的优化设计，包括提高液氮的注入效率、改善实验舱内的气体分布以及增强液氮与电池材料之间的热传导性能。此外，还应加强对不同电池类型和应用场景下液氮抑制效果的对比研究，以确定其在不同条件下的适用性。通过这些研究，可以为液氮在储能系统中的工程应用提供更坚实的理论基础和实验支持，从而推动相关安全技术的发展。

本研究的成果不仅为液氮在锂离子电池安全保护中的应用提供了新的思路，也为储能系统的安全管理和热失控抑制技术的发展奠定了基础。通过实际实验，研究团队确认了液氮在抑制热失控方面的有效性，并揭示了其在大容量电池中的应用潜力和局限性。这些发现对于提升储能系统的安全性能、减少热失控带来的风险具有重要意义。未来，随着储能技术的不断发展和应用规模的扩大，液氮作为一种新型的热失控抑制手段，有望在更广泛的领域中得到应用和推广。