锂离子电池机械诱导热失控严重性分析与持续能量释放监测研究

这篇研究通过标准化单侧机械压痕测试，系统评估了不同荷电状态(SOC)下锂离子电池(LIB)的热失控(TR)风险。创新性地结合红外成像(IR)和声发射(AE)技术，建立了包含200组数据的TR数据库，为电池安全设计提供了量化指标——计算危害严重度(CHS)和观察危害严重度(OHS)。研究揭示了高SOC与LCO正极材料对TR的显著影响，为动力电池安全预警提供了新方法。

　　

Highlight

锂离子电池热失控严重性分级

缓慢压头产生的压缩力导致软包电池内部层状结构损伤，引发内短路(ISC)和电压骤降。在某些案例中，ISC产热会触发额外的物理化学反应，导致电池膨胀甚至穿透性破坏——当发生严重热失控时，可能伴随剧烈烟雾、火焰和气体喷发。这些复杂的连锁反应通过计算危害严重度(CHS)进行量化，该指标整合了电压/温度变化率、峰值温度等参数，与欧盟车辆安全委员会(EUCAR)分级标准具有良好相关性。

温度图谱与声发射信号在热失控测试中的关联

机械压痕引发的结构变形会释放双重能量特征：红外热像仪捕捉到电池表面温度场呈"火山喷发式"分布，而声发射传感器则检测到材料断裂的典型高频信号(>150kHz)。有趣的是，LCO电池在SOC>80%时会产生"爆米花式"的AE信号簇，这与隔膜熔毁的微观现象直接相关。通过钢制波导保护的AE系统，成功在TR发生前17±3秒捕获到预警信号。

讨论

单侧压痕测试首次实现了大容量软包电池TR风险的标准化评估。研究发现：1）CHS评分与肉眼观察的膨胀程度、烟尘生成等表观特征高度吻合；2）高SOC状态下NMC电池的AE事件数量激增5-8倍；3）LFP电池展现出独特的"阶梯式"温升模式，这与其橄榄石晶体结构的热稳定性有关。

结论

本研究通过非破坏性监测技术揭示了LIB机械滥用下的能量释放规律：1）声发射信号可作为TR早期预警的生物标记物；2）初始温度场分布能预测后续"爆发式"或"传导式"放热路径；3）建立的TR数据库为不同化学体系（LCO/NMC/LFP）电池提供了安全设计基准。这些发现为电动汽车电池包的"故障-安全"设计提供了新思路。