受限空间内锂离子电池热失控热反馈特性的实验研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Experimental studies on the thermal feedback characteristics of Li-ion batteries during thermal runaway in confined space

　　

摘要

进行了实验以研究锂离子电池（LIBs）在受限空间内发生热失控（TR）期间的热反馈特性。本研究的主要目的是考察顶部约束条件下外部热反馈与内部产热之间的关系。结果表明，顶部约束显著增强了电池射流火焰的热反馈。对于自由条件（无顶盖），电池顶部的最高温度通常随荷电状态（SOC）呈指数增长；然而，对于顶部约束条件，整体增长率逐渐放缓甚至呈现下降趋势。此外，空间约束对低 SOC 条件下的热失控影响相对较小，而对高 SOC 电池热失控的影响更为显著。此外，开发了一种分析外部热反馈与内部产热关系的方法。结果进一步表明，对于紧邻热失控电芯的测试电芯，在热失控电芯的两个排气期间，测试电芯的外部热反馈比率先增加后减少。

引言

锂离子电池（LIBs）已成为能源存储领域的主导技术 ⁽Li et al., 2018; Asif and Singh, 2017; Zubi et al., 2018)。然而，由滥用条件触发的热失控（TR）事件以及随后发生的储能电池火灾，严重阻碍了其在储能领域的大规模应用。例如，2021 年北京国轩储能电站火灾爆炸事故中，两名消防员不幸牺牲。同样，2024 年韩国一家电池制造设施发生火灾，造成 23 人死亡。这些事件带来的显著负面影响，为行业发展和政府监管提出了新的挑战。

虽然目前大多数在建能源电站项目利用磷酸铁锂（LFP）技术，但一些早期的海外项目仍采用镍钴锰（NCM）电芯。除了历史因素外，NCM 储能电芯的主要市场是某些户外应用，其中能量密度是关键考量因素。在同等条件下，NCM 电池通常表现出比 LFP 电池显著更高的温升和更明显的热失控（TR）行为 ⁽Wang et al., 2020; Ouyang and Wang, 2019; Huang et al., 2015)。尽管电池化学体系存在差异，但热失控期间释放的主要气体成分相似，主要包含 H?、CO?、CO、C?H?和 CH? ⁽Golubkov et al., 2014; Rong et al., 2023; Zhang et al., 2024a; Shen et al., 2023; Xu et al., 2023)。在物理尺寸和荷电状态（SOC）方面，较小的电芯尺寸通常对应较低的热失控触发温度，这意味着较高的热失控风险 ⁽Ouyang et al., 2022⁾。高 SOC 不仅增加了电池的最高表面温度和射流区域的加热率，还引发了总气体释放量和气体释放率的显著增加 ⁽Wang et al., 2022; Li et al., 2019; Ouyang et al., 2019)。Zhou 等人（Zhou et al., 2025）和 Wang 等人（Wang et al., 2023a）量化了 SOC 对 LFP 和 NCM 电池气体演化行为的影响，结果表明，随着 SOC 从 25% 增加到 100%，总气体释放量和峰值气体释放率分别增加了 142.2% 和 700%。Xie 等人（Xie and Zhang, 2025）发现，随着 SOC 从 25% 升至 50% 和 75%，电池的最高温度分别增加了 35% 和 258.3%，而气体排放量增加了 79.3% 和 644.7%。此外，热失控的引发方式和环境温度也至关重要 ⁽Xu et al., 2023; Su et al., 2024; Jia et al., 2023; Liu et al., 2024; Lin et al., 2024)。Meng 等人（Meng et al., 2024）揭示，随着温度降低，电池内的副反应和燃烧强度受到抑制，从而提高了热失控的起始温度和峰值温度，同时减少了总质量损失。

对于电池模组，引发电芯（热失控）产生的累积热量通过各种传热机制传播到相邻电芯，这些机制包括热传导、对流、辐射以及射流火焰的影响。这种持续的热侵入加热并点燃了邻近电芯，最终导致热失控传播 ⁽Huang et al., 2016; Mishra et al., 2022, Mishra et al., 2021)。先前的研究表明，SOC 水平对电池包的热传播动力学具有决定性影响。100% SOC 模组内电芯之间的传播间隔明显短于低 SOC 模组 ⁽Li et al., 2019; Peng et al., 2025)。此外，环境温度通过改变火焰与周围环境之间的温差来调节火焰卷吸效应和散热强度。Zhang 等人（Zhang et al., 2022a）发现，在锂离子电池的较低初始温度下，热失控更难触发，当温度降至 -20°C 时，热失控不再传播。

在实际应用中，水平金属结构通常位于电池模组上方。在这种情况下，电池热失控（TR）事件期间产生的射流火焰被上方的顶盖阻挡。这导致其转化为顶棚射流，导致电芯顶部热量积聚。随着顶盖高度的降低，火焰的横向延伸长度增加，从而对下方电池产生更强的热反馈效应 ⁽Zhang et al., 2022b; Wang et al., 2023b)。先前的研究表明，空间限制导致单个电芯的峰值表面温度大幅增加约 10%。在半封闭条件下，受增强热反馈和解耦气体积聚的联合作用驱动，火灾蔓延速度加快；与开放空间相比，相邻电芯着火之间的平均时间间隔显著缩短（Zhang et al., 2025）。通过比较不同的顶盖配置，Zhai 等人（Zhai et al., 2022）发现，将顶盖从水平转换为垂直，相邻和非相邻电芯的最高温度值均显著降低。Huang 等人（Huang et al., 2024）和 Yang 等人（Yang et al., 2025）的进一步研究表明，顶盖高度与电池间传热比例之间存在负相关关系。

总之，尽管已投入大量研究致力于锂离子电池的燃烧和传播特性，但顶盖约束和电池 SOC 对热失控演化过程的耦合效应仍了解不足。特别是，在受限条件下，顶盖高度和 SOC 对火焰行为、热量积聚和热反馈特性的影响尚未得到系统研究。为了回答这些问题，进行了一系列实验。此外，还研究了顶部约束条件下外部热反馈与内部产热之间的关系。这些研究可能具有积极意义和实用指导价值，有助于储能电站的应急响应。

章节片段

电池样品

测试样品为 6.2 Ah 棱柱电池（NCM523），具体参数详见表 1。实验前，使用新威电池测试系统对电池样品进行了预处理。首先将电池样品以恒流（CC）放电至截止电压，然后在恒流恒压（CC-CV）协议下充电至满容量。此循环重复两次。最后，电池以恒流充电至目标 SOC 为

喷发特性

图 2 展示了不同顶盖高度下 100% SOC 电池在热失控期间的演化过程。加热板的启动点被定义为零点（t = 0）。如图 2 所示，无论高度如何，电池的热失控过程均表现出相似的分阶段特性。在加热阶段（阶段 I），电池温度逐渐升高。

当内部压力达到临界值时，安全阀突然开启排气，并快速喷出红

结论

在本研究中，进行了实验以研究 NCM 电池在受限空间内的热失控行为。本研究旨在阐明在传热过程中，外部射流火焰的热反馈与电池内部产热之间的关系。主要结论如下：

• (1)
  虽然顶部约束增强了相对于自由条件的热反馈，但由于相互竞争的因素，该效应并不一定随着顶盖高度的降低而单调变化

未引用的参考文献

(Shackelford and Alexander, n.d, Zhang et al., 2026)

CRediT 作者贡献声明

Xiang Jin: 撰写 – 初稿。Qianqian Xu: 撰写 – 初稿，调查。Haiyong Cong: 撰写 – 审阅与编辑，概念化。Xiukun Xiao: 撰写 – 审阅与编辑。Yubo Bi: 撰写 – 审阅与编辑。Hao Cui: 撰写 – 审阅与编辑。Ji Jiang: 调查。Lu Xiong: 调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能被认为影响了本论文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金 [资助编号 52474212]；国家自然科学基金 [资助编号 U24A20172]；大连理工大学 - 欣旺达碳中和创新技术联合研发中心 [资助编号 2026-XD-02]；辽宁省科学技术联合计划项目 [资助编号 2025-MSLH-142]；中央高校基本科研业务费 [资助编号 DUT25Z2527]；中央高校基本科研业务费的资助

Xiang Jin|Qianqian Xu|Haiyong Cong|Xiukun Xiao|Ji Jiang|Lu Xiong|Hao Cui|Yubo Bi