21700锂离子电池针刺热失控传播的数值与实验表征：间隙热障材料作用机制及安全设计启示

为解决锂离子电池（LIBs）针刺触发热失控（TR）及热失控传播（TRP）的安全隐患，研究人员通过集成电化学-分解反应动力学集总模型与计算流体力学（CFD）模拟，揭示了高温气体对流对TRP的影响机制。研究发现，电池泄压阀损坏会加剧侧壁破裂风险，而采用热扩散率低于0.3 mm2 /s的隔热材料可有效阻断热扩散。该研究为电池热管理系统（BTMS）设计提供了关键参数依据，推动高能量密度电池安全标准发展。

　　

锂离子电池（LIBs）因其高能量密度和长循环寿命，已成为电动汽车和储能系统的核心组件。然而，机械滥用（如针刺）引发的热失控（Thermal Runaway, TR）可能导致连锁热失控传播（Thermal Runaway Propagation, TRP），甚至引发火灾或爆炸。现有研究多集中于实验观察，但重复性差且难以量化热管理材料的作用。针对这一挑战，由Faraday Institution资助的SafeBatt项目团队在《Journal of Energy Chemistry》发表研究，通过多尺度建模与实验验证，揭示了间隙热障材料抑制TRP的机制。

研究团队采用扩展体积加速量热法（EV-ARC）标定反应动力学参数，结合红外热成像动态捕捉温度分布。数值模型整合了电化学-短路（SC）耦合模型、分解反应动力学及湍流气体排放模拟，首次量化了侧壁破裂对TRP的贡献。关键发现包括：1）泄压阀失效使侧壁破裂压力升至2 MPa（实验验证）；2）高温气体对流是TRP主要驱动力，需通过热扩散率<0.3 mm²
/s的隔热材料阻断；3）NMC811（Li(Ni_0.8
Co_0.1
Mn_0.1
)O₂
）电池产气中氢气占比25.3%，加剧燃烧风险。

Experimental
通过EV-ARC测试划分TR反应阶段，针刺实验触发七电池模组TRP，证实侧壁破裂导致高温气体喷射是传播主因。

Numerical model
建立各向异性热传导模型，耦合短路局部焦耳热与分解反应放热，CFD模拟显示气体湍流使相邻电池温升速率提高40%。

Results and discussion
1）针刺触发TR时，峰值温度达1200°C；2）热障材料降低模组内热积累，但需兼顾机械强度以防气体冲击失效；3）开放式布局可减少60%TRP概率。

Conclusions
该研究首次系统量化了热障材料物性对TRP的抑制效果，提出“热扩散率-机械强度”协同设计准则。Paul R. Shearing团队指出，该成果为高能量密度电池模组安全设计提供了可工程化的参数阈值，尤其适用于电动汽车非封闭式电池包场景。未来需进一步研究热障材料在循环老化中的性能稳定性。