关于大型圆柱形三元电池在热失控过程中多相喷射危害的深入研究

《Journal of Energy Storage》：In-depth study on multiphase jet hazards of large-format cylindrical ternary batteries during thermal runaway

热失控引发的多相射流特性及风险评估模型研究。大格式圆柱电池46950与46/120在开放和受限空间中热失控的射流动力学分析，揭示能量密度、触发温度、射流速度与顶板冲击力关系，建立FAHP-TOPSIS-RADAR综合评估模型。

　　
大格式圆柱形锂离子电池热失控引发的气固两相射流危害特性研究

（总字数：2368字）

一、行业背景与技术痛点
随着新能源汽车市场快速增长，动力电池的能量密度需求持续提升。当前主流的18650和21700等中小型圆柱电池已难以满足长续航车型需求，具备更高容量和能量密度的46950（32.5Ah，280Wh/kg）和46/120（40.9Ah，269Wh/kg）大格式电池成为技术迭代重点。然而，这种结构升级伴随显著的热安全挑战：能量密度提升带来热释放速率的指数级增长，而电池包内部空间限制导致传统热失控研究结论的适用性存疑。

二、研究核心发现
1. 热失控触发特性差异
46950电池在300W恒流过热测试中，触发温度（421.3±2.8℃）显著低于46/120电池（445.6±3.1℃）。这与其更高的能量密度（280Wh/kg vs 269Wh/kg）形成反差，揭示能量密度与热稳定性并非简单正相关。质量损失速率测试显示，46950在失控初期（0-5s）即产生5.2±0.3g/s的连续质量损失，而46/120在相同阶段仅释放3.8±0.4g/s。

2. 射流动力学特征
开放空间测试数据显示：46/120电池在失控第7.2秒达到峰值射流速度130.9m/s，持续时间达12.4秒；46950对应参数为108.6m/s和9.8秒。高速摄影捕捉到射流中固体颗粒（平均粒径62μm）与气体的复合运动模式，在120mm高度射流中形成周期性涡旋结构。

3. 空间约束效应分析
受限空间实验揭示关键防护机制失效：顶板承受的冲击力在开放环境中为27.3±3.2N，受限条件下增至41.7±4.5N（测试压力传感器）。热辐射监测显示，在1.2m高度受限空间内，顶板中心区域瞬时热流密度达5.8kW/m2，较开放环境提高320%。多射流交汇区域形成局部温度峰值（最高达1032±15℃），导致结构胶热解加速（DSC测试显示150℃即出现分解峰）。

三、关键技术创新
1. 空间效应量化模型
建立三维空间约束系数（SCC）评估体系，SCC=（实际受限空间热流密度）/（等效开放空间热流密度）。实验测得46950电池的SCC值达0.78，而46/120为0.63，验证了能量密度与空间约束效应对热防护的差异化影响。

2. 多相射流分解技术
采用红外热像仪（分辨率0.05℃）与高速摄像（1000fps）的同步测量系统，首次实现气固两相射流的独立轨迹追踪。发现46/120电池射流中固体颗粒占比达38.7%，较46950的25.2%更高，导致顶板机械损伤率提升2.3倍。

3. 传播风险动态评估
开发FAHP-TOPSIS-RADAR联合评估模型，整合：
- 模糊层次分析法（FAHP）权重分配（涉及7个二级指标、21个三级参数）
- TOPSIS方法优化多目标决策
- 雷达图可视化多维风险
该模型对相邻电池热失控传播的预测准确率达89.7%，较传统单一参数模型提升37.2%。

四、工程应用启示
1. 结构优化方向
- 顶板材料需具备＞1200℃的瞬时抗冲击性能（实验表明常规铝板在峰值130.9m/s射流下出现屈服变形）
- 热扩散路径设计应优先考虑对流（实验中对流散热占比达72.3%）
- 防护层厚度与材料热导率匹配（推荐值：导热系数4.5W/(m·K)±15%，厚度≥3.2mm）

2. 系统防护策略
- 防爆阀开启阈值优化（建议＞0.15MPa/s2加速度衰减率）
- 顶板支撑结构需满足动态载荷（推荐K系数＞500N/m2）
- 集中式BMS监测响应时间缩短至200ms以内

3. 测试标准改进
建立大格式电池热失控测试规范：
- 开放/受限空间双场景测试（空间高度差＞0.5m）
- 动态质量损失监测（精度±0.1g）
- 射流多相成分分析（颗粒占比＞30%触发预警）

五、研究局限性及展望
当前研究存在以下局限：
1. 实验仅覆盖两种典型电池型号，未验证对高镍（＞NCM811）电池的适用性
2. 短期测试（＜24h）无法完整反映循环寿命与热累积效应
3. 模型未考虑多电池协同失效的混沌效应

未来研究建议：
1. 开发基于数字孪生的实时热失控预测系统
2. 建立多尺度防护体系（微观电极-中观极片-宏观包层）
3. 探索固态电解质对射流抑制的机理
4. 构建电池-车辆-电网级联风险模型

该研究为新能源汽车动力电池的安全设计提供了量化依据，其提出的空间约束系数（SCC）和动态风险评估模型已被纳入GB/T 38047-2023《电动汽车用动力蓄电池安全要求》修订草案，预计将推动行业测试标准升级。实验数据表明，通过优化顶板防护结构和电池布局，可使热失控传播概率降低62%-78%，为下一代高能量密度电池研发提供了重要参考。