锂离子电池低温循环下热失控的热点引燃特性研究及其对二次寿命电池安全管理的启示

针对锂离子电池(LIBs)在低温循环中因锂枝晶沉积导致热失控(TR)风险加剧的问题，研究人员通过加速量热仪(ARC)实验和数值模拟，揭示了老化LFP电池的热点引燃模式，发现其自发热起始温度降低至55°C且早期出现气体喷发。该研究为二次寿命电池的安全管理提供了关键理论依据。

　　

随着全球能源转型加速，锂离子电池(LIBs)在电动汽车和储能系统中的广泛应用面临两大核心挑战：低温环境下循环性能衰减引发的锂枝晶(lithium dendrite)生长，以及由此导致的热失控(Thermal Runaway, TR)安全隐患。热失控作为LIBs最严重的失效模式，其机理类似燃烧学中的热点引燃(hotspot ignition)，但针对低温循环老化电池的TR模式研究仍存在空白。

为解决这一问题，美国田纳西大学的研究团队选取商用18650型磷酸铁锂(LFP)电池，通过0°C低温循环至60%寿命后，采用加速量热仪(ARC)在100%荷电状态(SOC)下进行热滥用实验，结合多物理场数值模拟，首次揭示了锂枝晶诱导的热点引燃型TR特性。相关成果发表于《Journal of Energy Storage》。

研究团队运用三项关键技术：1) 低温循环加速老化（-10°C至25°C梯度实验）；2) ARC热滥用测试（遵循热-等-寻模式HWS）；3) 基于燃烧学理论的数值模拟（量化热点温度场分布）。实验组包含新鲜电池、室温循环电池和低温循环电池三类样本。

实验结果与发现

1. 电化学性能退化
   低温循环电池容量衰减速率较室温组快3倍，电化学阻抗谱(EIS)显示电荷转移阻抗增加200%，证实锂枝晶主导老化过程。

2. 热失控特征参数
   ARC测试显示，低温老化电池TR起始温度较新鲜电池降低40°C（55°C vs 95°C），且出现两阶段放热：第一阶段对应枝晶短路引发的局部热点（升温速率1°C/min），第二阶段为SEI分解主导的剧烈TR（峰值速率80°C/s）。

3. 可视化现象
   LFP电池在TR早期即喷出含氟化氢(HF)的白色烟雾，同步红外热成像显示局部热点温度达280°C，验证了"内部热点引燃外部TR"的燃烧学类比机制。

数值模拟验证
建立的三维电热耦合模型再现了枝晶穿刺隔膜引发的微短路过程：热点尺寸约200μm时，局部温度梯度超500°C/mm，与ARC实验的55°C触发温度高度吻合。模拟首次量化了枝晶密度与TR触发时间的负相关性（R²

0.92）。

结论与意义
该研究创新性提出：1) 锂枝晶诱导的TR符合燃烧学热点引燃理论，其临界触发能量比均匀加热模式低两个数量级；2) 低温老化电池的TR存在"潜伏期"，表现为55°C下的缓慢产气，这对二次寿命电池的早期预警具有重要价值；3) 建立的枝晶-TR关联模型为储能系统安全标准修订提供了量化依据。研究团队特别指出，针对退役动力电池（70-80% SOH）的梯次利用，需开发基于枝晶检测的新型健康状态(SOH)评估协议，以规避热点引燃风险。

这项工作的核心突破在于将燃烧学理论引入电池安全研究，不仅解释了低温循环电池的特殊TR行为，更为多物理场耦合的安全设计提供了新范式。未来研究可进一步探索枝晶形貌与TR剧烈程度的构效关系，以及基于机器学习的TR早期预测算法开发。