基于原位激光光谱技术的锂离子电池热失控过程中氟化氢排放动态特性研究

本研究针对锂离子电池热失控过程中高毒性氟化氢(HF)排放监测难题，开发了时间分辨率达毫秒级的原位可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)系统，通过模拟18650电池在不同荷电状态(SOC)和辐射热通量下的热失控过程，首次实现了HF排放瞬态特性的精准捕捉。研究发现安全泄放阶段HF排放量可达热失控阶段的3倍，为电池火灾毒性评估和防护策略提供了关键数据支撑。

　　

随着锂离子电池(Li-ion battery)在电动汽车和储能系统中的广泛应用，其热安全问题日益凸显。当电池遭遇机械、热或电滥用时，可能引发热失控(thermal runaway)连锁反应——从初始自加热到电解液汽化，最终导致剧烈燃烧甚至爆炸。在这个过程中，高毒性的氟化氢(HF)排放成为重大安全隐患，其浓度可达数百ppm，能造成严重的呼吸系统损伤和皮肤灼伤。然而传统的气体检测方法如傅里叶变换红外光谱(FTIR)存在响应慢、采样损失大等问题，难以准确捕捉HF的瞬态排放特征，这严重制约了电池火灾风险评估和防护策略的制定。

针对这一技术瓶颈，加州大学洛杉矶分校(UCLA)的Yi Yan、Nicolas S.B. Jaeger和R. Mitchell Spearrin团队在《Proceedings of the Combustion Institute》发表研究，创新性地将可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术应用于电池火灾研究。研究人员设计了一套精密的辐射加热实验系统，通过锥形加热器精确控制热通量(21.3-7.6 K/min)，模拟不同严重程度的热失控场景。实验选用Sanyo NCR 18650 GA电池，设置0%、50%和100%三种荷电状态(SOC)，结合高灵敏度HF激光检测(针对4038.965 cm^-1的R(1)振转跃迁)和高速数据采集(400 kHz)，实现了毫秒级响应的原位气体监测。

研究首先通过温度和质量演变揭示了电池热失控的四阶段特征：在典型50% SOC电池中，安全泄放阶段(455 K)比热失控起始温度(498 K)提前约300秒出现。质量监测显示泄放阶段的质量损失(3.3 g)与热失控阶段(3.6 g)相当，但前者持续时间更长。最具突破性的发现来自TDLAS实时监测——在4037.5-4041 cm^-1光谱范围内，研究人员成功区分了HF特征峰与H₂O、CO等干扰信号，通过Voigt线型拟合精确量化了HF浓度动态变化。

数据分析表明：安全泄放阶段产生的HF总量(124 mg)是热失控阶段(40 mg)的3倍，这一现象在三种SOC条件下均保持一致。研究还发现加热速率显著影响HF产率，36 kW/m²热通量下的HF总排放量比7.5 kW/m²时高出60%，而SOC的影响相对较弱。通过pitot-thermocouple测速仪和激光测温的协同测量，团队首次建立了HF质量排放速率与火灾动力学参数的定量关系。

该研究的核心价值在于揭示了被长期忽视的安全泄放阶段的毒性风险——虽然热失控的爆炸特性更引人注目，但泄放阶段持续释放的HF可能造成更严重的累积暴露伤害。研究人员提出的原位激光检测方法为电池安全监测提供了新范式，其毫秒级响应特性可用于开发热失控早期预警系统。这些发现对电动汽车电池包设计、储能电站消防策略制定具有重要指导意义，特别是为HF吸附过滤系统的响应时间设计提供了关键参数依据。