全氟化碳溶液抑制三元锂离子电池热失控的灭火机制与效能研究

针对锂离子电池(LIBs)热失控(TR)引发的储能系统(ESSs)火灾风险，研究人员创新性提出全氟化碳(PFCs)灭火策略。通过加速量热仪分析单体电池TR特性，优化C10F18/C12F27N配比，证实其冷却功率达水的1.1倍，最高降温795.1°C，为ESS安全防控提供新思路。

　　

随着新能源产业的快速发展，锂离子电池(LIBs)已成为电动汽车(EVs)和储能系统(ESSs)的核心组件。然而，由热失控(Thermal Runaway, TR)引发的电池火灾事故频发，成为制约行业安全发展的瓶颈问题。特别是采用高能量密度LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂正极的三元电池，其TR传播速度极快，传统水基灭火剂难以有效抑制。据统计，电池组TR传播可在6秒内完成，最高温度达795.1°C，这对现有消防技术提出严峻挑战。

为突破这一技术瓶颈，北京理工大学的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表创新性研究。通过系统分析60% SOC（State of Charge）下三元LIBs的TR特性，首次提出基于全氟化碳(Perfluorocarbons, PFCs)的灭火剂解决方案。研究发现，当采用C₁₀F₁₈与C₁₂F₂₇N按7:3配比时，灭火剂冷却功率较水提升10%，可有效阻断TR链式反应。

关键技术方法包括：1) 采用加速量热仪(Accelerating Rate Calorimeter)测定单体电池TR特征温度；2) 构建多电池模组TR传播实验平台；3) 通过热力学参数计算冷却功率P=cm(dT/dt)；4) 对比分析PFCs与水在TR抑制中的效能差异。

【Cell samples】
研究选用直径18mm的圆柱形三元LIBs，正极为LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂，负极为石墨，电解液含LiPF₆碳酸酯溶剂。实验发现60% SOC下电池自加热温度(T_s)为143.8°C，安全阀开启温度(T_g)149.2°C，TR触发温度(T_r)171.3°C。

【Thermal runaway of cell in adiabatic environment】
绝热环境下，电池TR呈现典型四阶段特征：自发热期(T_s-T_g)、泄压期(T_g-T_r)、剧烈反应期(T_r-T_max)和衰减期。最大温升速率(TRR_max)达795.1°C/min，表明能量释放集中。

【Conclusions】

1. PFCs溶液通过物理冷却和化学抑制双重机制阻断TR，其冷却效能显著优于水；2) 电池模组TR传播时间仅6秒，验证早期干预必要性；3) 建立的TR特征温度体系为火灾预警提供量化指标。

该研究首次阐明PFCs抑制LIBsTR的分子机制，为解决ESSs火灾防控这一世界性难题提供新范式。特别是提出的C₁₀F₁₈/C₁₂F₂₇N复合配方，兼具环保性与高效性，已获国家重点研发计划(2023YFC3009504)支持。未来可进一步优化PFCs在磷酸铁锂电池中的适用性，推动新能源安全技术标准化进程。