外部压力对棱柱形LiFePO4电池热失控的影响：为电动汽车中的更安全电池系统提供机制性见解

《eTransportation》：External pressure effects on thermal runaway in prismatic LiFePO 4 batteries: Mechanistic insights for safer battery systems in electric vehicles

热失控抑制与棋盘式电池布局设计研究。针对传统锂离子电池包中热失控 cascading 传播问题，提出棋盘式两组交替放电的电池结构，通过高SOC细胞与低SOC缓冲层组合抑制热失控蔓延，仿真显示75%SOC包组成功阻隔热传播，并提升阈值22°C，同时重定向10%能量到非相邻单元。该几何布局与操作策略结合的创新设计为电动汽车储能系统提供被动安全技术新路径。

　　锂离子电池因其高能量密度而在电动汽车和储能系统中得到了广泛应用。然而，随着使用范围的扩大，电池的安全性问题也日益受到关注。特别是热失控（Thermal Runaway, TR）现象，一旦发生，可能引发连锁反应，导致整个电池组的温度迅速上升，从而带来严重的安全隐患。传统的电池组通常采用串联并联的方式连接相邻的电池单元，这种结构在热失控发生时容易导致热量的快速扩散，进而引发灾难性的热事件。为了解决这一问题，研究人员提出了一种新颖的“棋盘式”电池组设计，其核心在于将电池单元分为两个交错的组，并实现其状态充电（State of Charge, SOC）的交替分布。这种设计在运行过程中，通过有序地放电不同组的电池单元，形成空间上的SOC差异。每一个高SOC的电池单元被低SOC的相邻电池单元包围，从而充当了天然的热缓冲层。这种结构不仅提高了电池组的热安全性，还优化了能量管理，为电池系统的被动安全技术提供了新的思路。

在电池安全设计领域，通常可以将其分为三个层面：本质安全、主动安全技术和被动保护技术。本质安全主要通过改进电池电极材料、使用功能型隔膜以及引入抑制层等方式来实现。主动安全技术则包括主动气体排放、强制放电、主动浸没和喷洒等措施。而被动保护技术作为最后一道安全防线，通常涉及热能的散热或隔热结构设计，旨在延缓或抑制热失控的传播。被动保护技术的设计需要综合考虑电池的固有特性、系统结构参数以及运行条件，其研究通常聚焦于大规模工程应用，如电池组或储能系统。尽管已有大量关于大规模电池系统被动安全性的实验和数值研究，但如何在实际应用中实现有效的热失控抑制仍是挑战。

在传统的电池组中，由于电池单元之间的连接方式，热失控一旦在某个单元发生，可能会迅速扩散至相邻单元，甚至整个电池组。这种扩散过程不仅导致温度的急剧上升，还可能释放出可燃和有毒气体，极端情况下甚至引发爆炸。因此，如何设计一种能够有效抑制热失控传播的电池组结构成为研究的重点。目前，已有多种实验方法被用于研究热失控的传播特性，例如，Weng等人设计了一种铝蜂窝模块用于电池热管理，证明其在提升模块安全性方面具有显著效果。此外，铝蜂窝模块与相变材料（Phase Change Material, PCM）以及空气冷却的耦合效应也被发现可以进一步增强热安全性。Zhang等人则通过实验和模拟相结合的方法，研究了400 V电池组中热失控的传播路径，发现热失控首先在单个模块内扩散，随后通过底部冷却板传播至相邻模块。Ouyang等人则通过实验分析了4S4P电池组在热失控发生后的传播行为，指出现有的动力电池系统仍面临诸多安全挑战，其中电池结构设计和电气连接方式在影响热失控传播方面起着关键作用。

与实验方法相比，模拟方法在定量分析和结构优化方面更具优势。例如，Gong等人通过数值模拟研究了包含16个圆柱形电池单元的电池组中热失控的传播模式，发现相变材料在抑制热失控方面具有重要作用。Yao等人提出了一种创新的“A, B”电池组设计，将更安全的磷酸铁锂（LFP）电池嵌入到三元电池系统中，以抑制热失控的传播。他们的实验结果表明，两个相邻的LFP电池单元可以有效阻断热失控的扩散，展示了一种具有前景的设计概念。Jin等人和Wang等人也开发了多种具有代表性的电池组结构，重新激发了这一常见的砖状结构在被动安全技术领域的应用潜力。这些研究为电池组的安全设计提供了宝贵的参考，但如何进一步优化电气接口的复杂性和集成效果，以提升这些设计的性能，仍是值得深入探讨的问题。

受到棋盘结构的启发，本研究探索了SOC变化对电池系统安全性的影响，并提出了一种新颖的被动安全设计方法。通过考虑实际的电池组配置、电气连接结构以及运行策略，设计了一种“棋盘式”电池组，其核心在于将电池单元分为两个交错的组，并通过不对称的放电策略，确保高SOC的电池单元始终被低SOC的相邻电池单元包围。这种设计不仅在运行过程中有效抑制了热失控的传播，还避免了由于电池类型不一致导致的电池管理系统问题。更重要的是，这种“棋盘式”连接设计及其不对称放电策略显著提升了电池组在运行中的安全性。通过这种结构设计，可以有效提高电池组在高温环境下的稳定性，从而降低热失控的风险。

在实验和模拟方法的结合下，本研究对NMC棱柱电池在不同SOC水平下的热失控现象进行了深入分析。基于实验结果，构建了一个三维的热失控模拟模型，并对其进行了验证。随后，将单个电池单元模型扩展到模块级别，以进一步验证并分析电池组级别的热失控传播行为。模拟结果表明，在75% SOC的电池组中，只有“棋盘式”结构能够有效抑制热失控的传播。相比之下，传统结构在相同SOC水平下，热失控更容易扩散。此外，实验结果还发现，当电池组中的50% SOC电池单元包围热失控单元时，热失控的传播阈值比传统结构提高了22摄氏度。这意味着，在相同条件下，“棋盘式”结构的电池组更不容易发生热失控，从而提升了整体的安全性。

能量流分析进一步揭示了“棋盘式”结构在热失控传播中的作用。研究发现，特殊的电池连接设计能够将热失控过程中释放的能量重新引导至非相邻的电池单元，从而减少了热失控单元释放的能量对相邻单元的影响。这种能量的再分配不仅提高了热失控的传播门槛，还有效降低了热失控的扩散速度。通过这种设计，可以显著减少热失控对整个电池组的威胁，提高电池系统的整体安全性。此外，这种结构还能够优化电池组的能量管理，确保电池单元在运行过程中保持较高的能量密度，同时避免由于SOC不一致导致的电池管理系统问题。

在实际应用中，电池组的安全性不仅取决于其结构设计，还与运行策略密切相关。因此，本研究提出的“棋盘式”结构设计，不仅在结构上进行了优化，还结合了运行策略，以实现更高效的热失控抑制。通过这种设计，可以在不改变电池单元本身性能的前提下，有效提升整个电池组的安全性。同时，这种设计还能够适应不同SOC水平的运行需求，确保电池组在各种工况下都能保持较高的安全性和稳定性。

本研究的成果表明，“棋盘式”结构设计在提升电池组安全性方面具有显著优势。与传统结构相比，该设计能够有效延缓热失控的传播，降低热失控的风险。此外，该设计还能够优化能量管理，提高电池组的整体性能。通过这种结构设计，可以为电动汽车和储能系统提供更安全、更稳定的电池解决方案。同时，该设计也为电池系统的被动安全技术提供了新的研究方向，有助于推动电池系统设计的进一步发展。

总之，本研究提出了一种基于棋盘结构的电池组设计，通过交错的电池单元布局和不对称的放电策略，有效提升了电池组的安全性。这种设计不仅在结构上进行了优化，还结合了运行策略，以实现更高效的热失控抑制。通过实验和模拟方法的结合，验证了该设计在不同SOC水平下的有效性，并展示了其在实际应用中的潜力。未来，随着对电池安全性的进一步研究，这种“棋盘式”结构设计有望在更多领域得到应用，为电池系统的安全性和稳定性提供更有力的保障。