热失控传播中电池-烟雾解耦传热机制及能量流定量分析研究

为解决锂离子电池(LIBs)在密闭系统中热失控传播(TRP)的多路径耦合传热难题，清华大学团队创新性提出"电池-烟雾解耦"实验方法，首次定量解析传导(Qsolid)、对流与辐射(Qsmoke)的协同作用机制。研究发现电池间直接传导贡献80.5%能量传输，而烟雾热滞留效应使传播时间缩短44.9%，为系统级安全设计提供了精准的能量流分析框架。

　　

随着电动汽车和储能系统的快速发展，锂离子电池(LIBs)的安全问题日益凸显。当单个电池因机械变形、电过载或热冲击引发热失控(TR)时，其释放的高温烟雾和能量可能引发多米诺骨牌式的热失控传播(TRP)，这种连锁反应已成为电池系统安全的最大威胁。尽管前人研究已确认电池间热传导是TRP的主要驱动力，但在密闭空间中，电池喷射的烟雾形成的"电池-烟雾-电池"复合传热通道的作用机制仍是一片迷雾。

针对这一科学难题，清华大学的研究团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表创新成果。他们设计出独特的"电池-烟雾解耦"实验系统，通过精确控制烟雾排放路径，首次实现了密闭环境中传导、对流、辐射三种传热模式的定量分离。研究采用62Ah商用方形电池(Ni_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂/石墨体系)，结合多传感器热监测和气体分析技术，构建了完整的能量流分析框架。

关键技术包括：1) 创新性烟雾抽排系统实现传热路径解耦；2) 同步采集温度、气体成分等多维数据；3) 基于ARC(加速量热仪)和STA-MS(同步热分析-质谱联用)的TR特征温度(T₁,T₂,T₃)标定；4) 三维能量流定量模型。

【Test Phenomenon】研究发现TR过程呈现典型三阶段特征：高温烟雾喷射(Stage I)、气体火花喷射(Stage II)和持续火焰燃烧(Stage III)。阴极镍含量与烟雾温度呈正相关，最高可达800℃以上。

【Energy Flow Analysis】定量结果显示：在完全密闭系统中，TRP仅需203.7秒，而解耦系统延长至369.9秒。能量分配显示电池间直接传导占80.5%，证实其主导地位；烟雾通过热滞留效应使传播效率提升44.9%，主要归因于其增强的对流和辐射传热。

【Conclusion and prospect】该研究建立了TRP能量流的"三路径"量化模型，揭示烟雾通过形成热屏障显著加速TRP的机制。提出的解耦方法为电池系统安全设计提供了新范式，特别是对储能集装箱和电动汽车电池包的隔热处理具有重要指导价值。研究首次证实密闭环境中烟雾的热中介作用可使TRP风险倍增，这一发现为开发新型烟雾排放和热阻断技术提供了理论依据。

值得注意的是，Mao等学者曾发现环境温度对TRP的放大效应，而本研究通过实验验证了这种效应主要源自烟雾介导的强化传热。正如Ouyang和Feng团队强调的，未来研究需重点关注SEI(固体电解质界面)分解起始温度(T₁)与烟雾生成量的关联性，这对早期预警系统开发至关重要。该成果不仅完善了TRP理论体系，其提出的"解耦-量化"研究框架更可拓展至其他电化学系统的热安全研究。