大容量锂离子电芯热失控中喷抛颗粒的拉格朗日单颗粒轨迹解析与喷射锥度量方法

《Journal of Energy Storage》：Trajectory analysis of ejected particles during thermal runaway of large-format lithium-ion cells

　　

研究人员提出一种拉格朗日单颗粒追踪（Lagrangian single-particle tracking）方法，用于解析大容量锂离子电芯热失控（thermal runaway, TR）过程中的颗粒喷抛行为。该方法基于高速记录图像，逐帧识别单个颗粒并关联为轨迹，联合获取其投影速度、喷抛角、喷抛时间与表观尺寸。事件级分布揭示了颗粒喷出的瞬态特征；研究人员进一步引入基于百分位统计的度量指标，用于量化颗粒喷抛的投影锥宽（projected cone width）。该研究为颗粒分辨尺度的热失控分析提供了概念验证方法，可支撑电池系统级安全评估与拉格朗日输运建模。

研究背景方面，热失控仍是高能量锂离子动力电池与储能系统的核心安全难题。电芯在滥用条件下发生TR后，会通过泄压阀喷出气体、液滴与固体颗粒，其中喷抛颗粒携带大量热量，可诱发模组内热传播（thermal propagation, TP），也可能桥接电气间隙导致电弧放电。既有文献对“喷排速度”缺乏统一定义：基于质量守恒、反冲或皮托管的方法多得到百米每秒量级的气体相速度，而PIV、光学流与纹影等诊断得到更低且受相位混合影响的颗粒或前锋速度；同时，小容量电芯的颗粒分辨数据无法直接外推至容量高一个数量级以上的大容量电芯。现有光学研究多为欧拉场平均，未保留颗粒身份，也难以联合分辨单个颗粒的速度、角度与尺寸，因此存在从光学测量到颗粒分辨源项之间的方法空白。

针对这一空白，研究人员以石墨/镍钴锰酸锂（NMC811）大容量方壳电芯为对象，在向下泄压的自由射流配置中，采用侧面全脸加热触发TR，并以高速相机（最高35200 frame/s）记录泄压区下方视场，开展单事件的方法学与概念验证研究。四组实验中仅无挡板自由射流的实验1具备可靠颗粒辨识条件，故后续分析基于该单一TR事件。

主要关键技术方法包括：从约40万帧原始视频中截取136000帧可用序列；通过灰度化、背景减除、阈值化、高斯平滑与形态学操作增强离散颗粒对比度，并以评分系统优化超参数；利用TrackPy（基于Crocker-Grier算法）检测颗粒质心与表观半径，再按动量邻近原则关联为轨迹；以固定物理参考距标定像素—毫米比例（2.01 pixel/mm），并设保守标定不确定度；后处理剔除弯折、低速、逆向上行等物理不合理轨迹，仅保留投影平面内、平均速度不低于1.0 m/s的颗粒样本。

研究结果按原文结构可归纳如下。

引言与文献综述指出，小容量电芯 ejecta 速度统计已现进展，但大容量电芯缺少颗粒分辨数据，且不同诊断方法所得速度可比性差。

实验部分显示，四组加热触发实验均成功引发TR，电芯质量损失达52.9%至64.2%；无挡板自由射流实验提供唯一适合单颗粒追踪的清晰序列，挡板配置因反射、离焦与早燃导致个体颗粒不可辨。

图像预处理与数据生成表明，经滤波后共检出约34500个个体颗粒；所有轨迹、速度与喷角均为二维投影，光学轴方向分量未被捕捉，因而报道速度为三维速度的保守下界。

颗粒轨迹分析显示，喷抛颗粒表观强度剖面直径多集中在0.94 mm至1.33 mm，与文献中筛分统计的小颗粒主导趋势一致；速度分布跨度约1 m/s至77 m/s，但尺寸与速度无清晰单调相关。

喷排过程统计分析表明，初期泄压伴随高平均速度与高离散度，随后气固质量流非稳态波动；喷角随时间由偏左逐渐回归阀法线方向，研究者推测与加热器位于右侧引发的局部反应传播有关，但内部路径无直接证据。基于第5与第95百分位定义的平面内锥宽（cone width）初期略超100°，后期收敛至100°以内。

讨论与结论部分总结：该研究证明单视角高速成像结合拉格朗日追踪可解析大容量电芯TR喷粒的瞬态运动学，填补了颗粒分辨源项缺失；所提百分位锥宽指标可量化喷抛空间分布。局限在于单事件、单视角、无法三维重建，火焰遮挡与密相区丢失部分颗粒，结果不代表电芯间统计变异。后续需双相机立体观测、更高分辨率与离线粒径校准。

研究结论翻译如下：本研究开发并应用了一种面向单TR事件的喷抛颗粒统计表征方法，通过拉格朗日单颗粒视角联合获取投影速度、喷角与表观尺寸，并提出基于百分位的投影锥宽度量。结果表明，大容量电芯喷粒运动具有强瞬态性与空间非均匀性，传统单值速度不足以描述其危害特征。该概念验证方法可为拉格朗日输运模型与电池系统安全设计提供颗粒级数据基础，但结论受单事件与单目视觉限制，需扩展至多电芯、多化学体系与同步立体观测。