商用锂离子电池过热失效下热失控演化规律与安全边界的实验研究

为解决锂离子电池(LIBs)热失控(TR)安全边界不明确的问题，研究人员针对LiNiCoMnO2(NCM)和LiFePO4(LFP)电池，通过耦合不同荷电状态(SOC)与外部加热功率的实验，揭示了NCM电池的TR触发温度(T1)更低、峰值温度(Tmax)更高，而LFP电池需更高临界输入热(Qinput)。研究构建了安全电量边界(SEQB)，为电池安全设计提供量化依据。

　　

在全球能源转型背景下，锂离子电池(LIBs)因其高能量密度成为储能领域核心，但频发的热失控(TR)事故暴露了其安全瓶颈。传统火灾与LIBs热失控存在本质差异：后者伴随电解液喷溅、连锁热传播等特性，且触发机制复杂，涉及过充、内短路等多重诱因，最终均以过热为共同终点。更棘手的是，随着高镍三元材料(LiNiCoMnO₂, NCM)和磷酸铁锂(LiFePO₄, LFP)等不同化学体系电池的普及，其TR行为差异显著，但现有研究多聚焦单一化学体系或故障模式，缺乏系统性安全边界量化标准。

针对这一难题，山东省级泰山学者团队联合国家自然科学基金支持的研究组，在《Materials Today Energy》发表了突破性成果。研究团队设计了一套精密的实验范式：选取商用58Ah NCM和280Ah LFP电池，通过电池循环仪(CT-4004-60V40A-NFA)精确控制0%-100%四种荷电状态(SOC)，结合十档加热板功率(80-400W)模拟梯度过热场景，同步监测温度、电压等参数。关键技术包括：(1) 多参数耦合实验设计，覆盖化学体系×SOC×加热功率三维变量；(2) 基于归一化指数的安全矩阵构建方法；(3) 热流分析量化临界输入热(Q_input)与TR反应热(Q_tr)。

热行为演化规律
实验捕捉到NCM电池的"敏感爆发"特性：其TR触发温度(T₁)比LFP低15-25°C，峰值温度(T_max)却高出200-300°C，且热量传播速率(R_max)快3倍。例如100% SOC时，NCM在200W加热下T₁仅160°C，而LFP需300W才能触发TR。

安全边界可视化
通过归一化危险指数构建的安全矩阵显示：NCM的安全电量边界(SEQB)严格限定在0-30% SOC(临界功率200W)，而LFP在<300W时SEQB可达0-60% SOC，但功率>400W时收缩至0-30%。这解释了为何电动汽车中LFP电池组更耐受局部过热。

能量流机制
热流分析揭示本质差异：LFP的TR主要依赖外部热输入(Q_input≥8.5kJ)，其内部反应热(Q_tr)占比不足40%；而NCM的Q_tr占比超70%，说明其正极材料分解放热是TR主导因素。

该研究首次系统性绘制了不同化学体系LIBs的安全边界图谱，其价值体现在三方面：(1) 工程指导性：明确NCM电池组应优先限制SOC≤30%，而LFP系统可放宽至60%；(2) 理论创新性：提出"临界热输入-内部放热"双阈值判定模型，突破传统单参数预警局限；(3) 方法论普适性：建立的实验框架可扩展至钠离子电池等新型储能体系。正如通讯作者Ping Ping强调的，这项成果为模块级电池包的"热失控阻断设计"提供了量化工具，将助力下一代高安全电池系统开发。