横向布置加热铝圆柱体下 4680 磷酸铁锂电池热失控敏感性与传热机制

《Process Safety and Environmental Protection》：Thermal runaway susceptibility and heat transfer mechanism of 4680 LiFePO? battery by a laterally-positioned heating aluminum cylinder

　　

摘要

大型圆柱形锂离子电池，如4680电芯，在能量密度和电池包集成方面具有优势，但其热特性给热安全管理带来了挑战。本研究开发了一种集成几何匹配铝加热杆的实验平台。该平台能够研究4680 LiFePO₄（LFP）电芯在受控侧向热滥用条件下的热失控（TR）行为。系统地研究了荷电状态（SOC：0%、25%、50%、75%和100%）、加热功率（300和400 W）以及电芯间距（1、2和3 mm）对TR演变和传热特性的影响。TR过程包括四个阶段：加热排气、点火、TR和熄灭。较高SOC的电芯通常需要的额外热量积累较少即可引发TR，但在TR过程中内部反应释放的热量显著更多。加热功率主要影响TR演变的时序过程，而非特征温度。在TR引发之前，热辐射主导外部传热。增大电芯间距会削弱热耦合并延迟TR的触发，在所研究条件下3 mm间距时TR受到抑制。提出能量主导比ψ = Q_self/Q_in来量化外加热主导模式与内部反应主导模式之间的转变。联合I_S–I_H评估进一步区分了排气后TR的敏感性变化与温度相关的热危害严重性变化。增大间距降低敏感性，但高SOC下严重性仍高于参考水平；降低加热功率通常降低严重性，但不均匀地降低敏感性。这些发现表明，在为大型圆柱形电芯制定热风险缓解策略时，需要分别评估引发敏感性与后续热后果。

引言

随着电动汽车和大规模储能系统的快速发展，锂离子电池（LIBs）凭借其高能量密度、长循环寿命和优异效率，已成为主流储能技术（Chen等，2025a，Huang等，2025a，Mei等，2025）。近期，大型圆柱形电芯因其能够提高制造效率并降低电池包集成复杂度而日益受到关注（Li等，2023）。其中，面向下一代电动汽车提出的4680圆柱形电芯，相比传统圆柱形电芯在尺寸和容量上有显著提升（Eze等，2025）。然而，电芯尺寸和能量容量的增加也引入了新的热安全挑战，尤其是在外部热滥用条件下，相邻电芯间的传热可能引发热失控（TR）并导致级联失效（Yue等，2026a，Yue等，2026b）。

与传统18650电芯相比，4680电芯具有更大的直径和更低的外表面面积与体积之比（Eze等，2025）。基于名义尺寸和理想圆柱体的完整外表面，该比值分别约为0.253和0.112 mm^-1。更大的尺寸也增加了特征径向传热距离。因此，热容量、热量积累和内部温度梯度的潜在变化被认为与局部加热条件下的响应相关（Li等，2023）。然而，仅凭几何特征无法推断这些热效应，因为还需考虑电芯化学体系、内部结构和热边界条件。因此，本研究对4680 LFP电芯进行专门表征，以考察其在受控侧向加热配置下的热响应。

对包括荷电状态（SOC）、外部加热条件和电芯间距在内的运行条件对锂离子电池TR的影响进行了广泛研究（Huang等，2025b，Mallick和Gayen，2023，Wang等，2026）。然而，大多数先前的研究是在小型电芯上进行的，关于大型圆柱形电池的几个关键问题尚未得到充分解决。首先，高SOC通常与更大的能量释放和更严重的TR行为相关。然而，储存的电化学能、内部反应活化与TR引发所需能量之间的关系尚未得到充分阐明（Doose等，2023，He等，2022）。其次，特征参数如TR引发时间和最高温度主要在外部加热试验中进行考察。TR引发过程中外部供给热量与内部产生反应热量之间的转变很少被量化（Chen等，2025a，Ji等，2026，Kriston等，2020）。第三，增大的电芯间距被认为是缓解热传播的有效策略。然而，间距引起的热耦合减弱与TR抑制之间的定量关系尚未明确建立，尤其是对于大型圆柱形电芯（Yue等，2026a，Pegel等，2024）。

此外，对大型圆柱形电芯外部热滥用的实验研究受到相邻电芯间热相互作用的复杂影响。这些相互作用强烈依赖于电芯几何形状、热源配置和分离距离。在先前研究中，主要考察了小型圆柱形电芯或模组级传播行为。然而，4680电芯外部热耦合的传热机制尚未得到充分阐明（Daniels和Prabhakar，2023，Fang等，2021，Khange和Sharma，2025，Sch?berl等，2025）。本研究采用几何匹配的铝加热杆来模拟来自相邻电芯的局部侧向热暴露。通过该配置建立了具有可调加热功率和电芯间距的可控热边界。从而系统研究了传热特性以及TR引发过程中外部热输入与内部反应驱动热量产生之间的转变。

因此，本研究使用侧向放置的铝加热杆，研究了不同SOC、加热功率和电芯间距下4680 LiFePO₄（LFP）电芯的TR特性。研究目标为：（i）表征所研究条件下的TR演变和温度相关的热危害严重性；（ii）考察TR引发过程中的传热特性以及外部热输入和表观内部产热的相对贡献；（iii）建立基于能量的热源主导性指标，并利用联合I_S-I_H评估区分排气后TR敏感性的变化与热严重性的变化。特别关注延迟的TR引发是否伴随着排气后敏感性降低和热后果减轻。研究结果用于为所研究条件下大型圆柱形电芯的热耦合缓解策略提供参考。

章节摘要

电池样品

实验中使用商用4680 LFP电芯，标称容量15 Ah，标称电压3.2 V。每个电芯直径46 mm，高度80 mm。代表性电芯初始质量约为325.5 g。测试前，先将电芯通过恒流/恒压充电方法完全充至100% SOC，然后以0.2 C放电至基于校准放电容量的目标SOC。截止电压的上下限设为

SOC对TR的影响

• (a)
  燃烧行为

图2展示了4680 LFP电芯在0%、25%、50%、75%和100% SOC下的典型燃烧行为。图像选取自三次重复实验中具有代表性的测试，其中0% SOC案例作为极限条件，用于与更高SOC下的TR行为进行比较。对于TR案例，该过程可分为四个阶段。对于0% SOC案例，第三阶段缺失，最终阶段代表燃烧后的冷却和衰减过程，而非

结论

通过采用具有可控加热功率和电芯间距的几何匹配铝加热杆，对大型4680 LFP电芯在侧向热滥用条件下的TR行为进行了实验研究。系统地分析了SOC、加热功率和电芯间距对TR演变的影响。进一步揭示了TR引发过程中的传热机制和能量贡献转变，并评估了TR缓解的热安全意义。主要

作者贡献声明

葛俊龙：研究方法、数据整理。高雅月：研究方法、数据整理。程长征：研究方法。杨慎霖：数据整理。李冉冉：撰写——审阅与编辑。杨琳迪：撰写——初稿。李满侯：监督指导、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（项目编号52476111）和合肥自然科学基金（项目编号HZR2508）的资助。

杨琳迪|李满侯|高雅月|葛俊龙|杨慎霖|程长征|李冉冉