锂离子电池热失控过程中喷射与非喷射热量的量热分析及其对热蔓延的影响

本研究针对锂离子电池(LIB)热失控(TR)中的热量分配问题，开发了一种新型量热装置，首次实现了喷射与非喷射热量的精准区分。研究团队通过铜块量热计结合排气管道测量系统，揭示了荷电状态(SOC)和电池质量损失对热量分配的关键影响，发现75% SOC时非喷射热量反而高于100% SOC工况。该成果为电池模块热蔓延建模提供了关键参数，弥补了传统加速量热法(ARC)仅能测量非喷射热量的局限，对提升电池系统热管理设计具有重要指导意义。论文发表于《iScience》。

　　

随着电动汽车的迅猛发展，锂离子电池(LIB)的热安全问题日益凸显。热失控(TR)这种剧烈的自加热现象，不仅会导致单个电池失效，更可能引发连锁反应——热蔓延(thermal propagation)，最终造成整个电池包起火爆炸。传统观点认为100%荷电状态(SOC)是最危险工况，但实际情况可能更为复杂。热失控过程中，电池内部产生的热量究竟有多少保留在壳体内部（非喷射热量），又有多少通过喷射的气体和颗粒释放到外部（喷射热量），这个关键问题长期缺乏精准测量手段。

瑞典RISE研究所联合乌普萨拉大学的研究团队在《iScience》发表论文，开发了创新型铜块量热计(CB)系统。该装置通过整合铜块热沉、水冷排气管道和气体分析模块，首次实现了热失控全过程的热量追踪。研究发现，75% SOC时传导至周围结构的非喷射热量反而高于100% SOC工况，这一反直觉现象源于高SOC下更剧烈的质量损失导致更多热量被喷射带走。该成果为精确预测电池模块热蔓延提供了关键参数。

关键技术方法包括：1）定制化铜块量热系统，集成温度传感器网络监测热量分布；2）水冷式排气管道配合障碍板收集喷射颗粒热量；3）多组分气体分析仪（含H₂、CO、CO₂等传感器）实时监测气体产物；4）加速量热法(ARC)对比实验；5）质量损失与SOC的关联分析。

研究结果
热量生成
通过17组不同SOC（25%-100%）和电池型号（圆柱/方形）的测试发现：总放热量(THR)与SOC正相关，100% SOC时达1.0E-1.5E（E为电池可用电能）。但非喷射热量在75% SOC时达到峰值，比100% SOC工况高约15%。如图2所示，质量损失每增加10%，喷射热量占比上升8-12%。

气体生成
方形电池在100% SOC时气体生成速率比75% SOC高40%，但持续时间缩短30%。值得注意的是，当圆柱电池的盖板被喷出时，气体总量减少27%，表明结构完整性影响反应路径。

加速量热法对比
ARC测试严重低估总放热量（仅捕获非喷射部分），其测量值0.4E-0.8E与铜块量热计的非喷射热量结果高度吻合（图7），证实传统方法无法反映真实热风险。

讨论与意义
该研究颠覆了"100% SOC必然最危险"的认知，揭示中等SOC可能通过更高的非喷射热量加剧模块内热蔓延。特别是发现电池盖板结构完整性会显著影响质量损失（最高达85%）和热量分配，这对电池安全设计具有直接指导价值。

新型量热系统实现了三大突破：1）首次同步测量喷射/非喷射热量；2）可适配不同尺寸电池（5-157 Ah）；3）整合气体监测功能。研究数据表明，现有热蔓延模型若忽略热量分配差异，可能严重低估实际风险。未来工作将聚焦于：1）验证不同电池化学体系（如LFP）的规律普适性；2）建立热量分配与热蔓延速率的定量关系；3）开发基于本研究成果的电池包热阻断策略。