圆柱形锂离子电池中侧壁破裂诱发热失控传播的综合性分析

《Applied Mathematical Modelling》：Comprehensive analysis of sidewall-rupture-induced thermal runaway propagation in cylindrical lithium-ion batteries

　　

电池模组内的热失控(TR)传播可导致灾难性失效。然而，侧壁破裂在锂离子电池促进TR传播中的作用仍知之甚少。本研究对由八只高比能21,700规格电芯组成的平面电芯簇中的TR传播行为进行了深入探究。研究人员首先利用高速红外相机表征了TR传播行为，包括气体、喷发物(ejecta)及电芯表面的温度分布。结果表明，在现有数据集及所测间距范围（0.0–1.5 mm）内，电芯间距对传播顺序无显著影响。火焰暴露后相邻电芯的失效形貌可分为四类：正常泄压(normal venting)、侧壁破裂(sidewall rupture)、坍塌(collapse)以及同时包含侧壁破裂与坍塌的混合失效。间距的任何影响主要表现为形貌类别的重新分布，而非主导失效模式的变化。尽管电芯间距影响了TR传播的若干方面，但在现有数据集中未观察到残存电池质量对电芯间距的明显依赖关系，表明在所测条件下残存电池质量与电芯间距无强关联。最后，研究人员分析了内部压力与侧壁破裂之间，以及作用于电芯的外部载荷与其屈曲(buckling)行为之间的定量关系。这些结果为阐明与侧壁破裂相关的TR传播机制，以及通过优化电池壳体(battery can)设计来降低TR传播风险以提升整体电池安全奠定了基础。

论文《Applied Mathematical Modelling》刊载的该项研究围绕圆柱形锂离子电池模组中层间侧壁破裂诱发热失控（TR）传播机制不明、安全设计缺乏依据这一问题展开。目前对于单体电芯侧壁破裂的力学与热学行为已有部分研究，但侧壁破裂如何在电芯簇或模组层面触发连锁TR传播，其内部压力、外部热冲击与结构失效之间的定量关系仍不清楚；尤其在航空、电动垂直起降（eVTOL）等高安全需求场景中，高比能21700电芯的紧凑排布使得侧壁破裂带来的定向射流火焰、高速喷发物（ejecta）极易引发相邻电芯快速失效，而现有标准（如RTCA DO-311A、EASA SC-VTOL）虽强调单电芯TR容忍与防传播要求，却缺乏针对侧壁破裂场景的量化设计与评估依据，因此有必要在受控电芯簇构型下厘清侧壁破裂对TR传播的作用机制、形貌演变规律及力学阈值，为安全设计提供基础数据。

研究人员为开展本研究采用了若干关键的技术方法：样本为商用高比能21700圆柱形锂离子电池（NCA正极、Si-C复合负极，额定容量4.8 Ah，比能257 Wh/kg，100% SOC），排布为六边形电芯簇（1只中部触发电芯＋7只相邻电芯，无电连接）；主要技术手段包括液压针刺（nail penetration）触发系统（PC/PLC架构，可调针刺深度、速度、钉径8 mm、锥角40°）、定制阻燃环氧树脂电芯支架（可设电芯间距0 mm、0.5 mm、1.5 mm）、高速红外（HS-IR）热像系统（ImageIR? 8300，500 fps，中波红外3.6–4.9 μm，CaF?红外窗口）、高清可见光摄像（30 fps）、K型热电偶测温（16支，采样0.1 s，辅以数据记录仪）、部分电芯侧壁预制划线（scoring，深约0.03 mm、长30 mm）以引导破裂方向；测试配置共17组，涵盖不同间距、针刺深度（15、25、35 mm）、速度（6、100 mm/s）及是否预制划线，以可靠诱导触发电芯侧壁破裂或穿孔（breach），并系统记录传播行为、温度场、形貌与残存质量。

3.1. Battery fire（电池火行为）：研究人员通过高速红外与可见光观测发现，当针刺触发电芯发生侧壁破裂或穿孔时才会发生TR传播；若无侧壁破裂／穿孔，仅触发电芯单独TR，无传播。典型传播过程中出现两次火焰喷发（flame burst）：首次火焰喷发持续约数秒至二十余秒，由触发电芯侧壁开口产生定向射流火焰（jet flame），使邻近数只电芯受热进入TR并伴随各自侧壁破裂，火焰方向多向分布；随后进入稳态燃烧（steady combustion）阶段，由残余电池材料与支架（阻燃环氧）燃烧包围电芯簇；部分测试出现第二次火焰喷发，对应剩余电芯进入TR与侧壁破裂，持续时间较短。首次火焰喷发平均时长在0 mm间距约13.62 s，0.5 mm约8.88 s，1.5 mm约9.74 s；0 mm下若触发电芯为局部侧壁穿孔（breach）而非大开口破裂，喷发时长更长，可能与开口较小、受限空气进入及对流换热较低有关。

3.2. Temperature field（温度场）：高速红外结果显示，无TR传播时（触发电芯无侧壁破裂），相邻电芯外表面最高温仅约几十摄氏度（0 mm时间邻芯94.7–102.3 ℃，Cell 8为68.3 ℃；0.5 mm邻芯78.9–87.4 ℃，Cell 8为45.4 ℃；1.5 mm邻芯69.5–82.0 ℃，Cell 8为39.6 ℃），虽有0 mm直接接触导热增强，但不足引发TR。有TR传播时，侧壁破裂后电芯簇被火焰包裹，电芯表面温度骤升至超850 ℃，最高超1300 ℃（火焰叠加效应）。红外快照显示首次火焰喷发期具不规则爆炸式图案、高温微粒（超600 ℃）与湍流热气体云（超350 ℃）；稳态燃烧期呈向上羽流、少量喷发物；第二次火焰喷发突现为剩余电芯TR所致射流复现与热气体云扩张。

3.3. Time sequence of TR propagation（TR传播时间序列）：研究人员以内外表面热电偶均超350 ℃结合影像判定TR时刻（触发电芯TR时刻为t=0，不确定度≤1 s）。多数测试中侧壁破裂后3 s内至少1–2只相邻电芯进入TR；仅一例（触发电芯为小穿孔breach）延迟至5 s。传播顺序无唯一固定路径，受触发电芯侧壁开口位置、有效开口面积及局部热暴露条件影响；在0.0–1.5 mm间距范围内未见间距对传播顺序的明显影响，但0 mm直接接触可能机械约束开口程度，拉长总体传播时间。最远位置Cell 8通常为末位TR，但若射流方向朝向Cell 8路径（如Cell 2、Cell 7优先），则可出现例外。预制划线（scoring）意在引导触发电芯破裂朝Cell 4方向，部分测试中实现Cell 4紧随触发电芯TR，但另有一例实际破裂发生在划线对侧，说明高温高压下划线深度（0.03 mm）未成为绝对薄弱点。

3.4. Post-mortem battery morphology（事后电芯形貌）：火焰暴露后相邻电芯（排除触发电芯）失效形貌分为四类：正常泄压（normal venting，顶/底阀开启）、侧壁破裂（sidewall rupture，侧向开裂）、坍塌（collapse，壳体受外部冲击或压力骤降屈曲）、混合（侧壁破裂＋坍塌）。侧壁破裂为主导类别（占约60%–71%），合并混合类后达76.2%–85.7%；其余类别比例≤14.3%且随间距略有再分布，0 mm下侧壁破裂占比稍低（约60%），暗示直接接触约束了开口发展。触发电芯多呈混合形貌（先针刺致侧壁破裂／穿孔，后受邻芯破裂冲击与内压速降而坍塌）。相邻电芯多向触发电芯侧破裂，因该侧热暴露更强、壳体强度更低。形貌特征可作为电池包内TR起源与路径溯源指标。

3.5. Residual mass（残存质量）：残存质量26–52 g，质量损失率0.23–0.61；触发电芯平均质量损失率约0.45，最远Cell 8约0.41，其余邻芯约0.33–0.39，说明触发电芯与末位TR电芯物质喷发更多（前者针刺＋内短路与内压剧增，后者长时间受前序火焰累积加热）。正常泄压类残存质量最低（物质持续经设计阀孔排出），侧壁破裂类（含混合）残存质量较高（内压快速释放、短时喷发留较多内部物质），纯坍塌类略高于正常泄压类。不同间距下平均残存质量无显著差异，表明该范围内残存质量与间距无强关联。

3.6. Discussion（讨论）：研究人员指出电芯壳体在升温与内压下载经历弹性→塑性变形→侧壁破裂，符合Barlow公式P_b=2tσ_t/D与Zhu-Leis修正公式估算薄壁圆筒爆破压力（burst pressure）；所用几何与材料参数（低碳钢、304不锈钢，温度相关E、ν、n、σ_t）显示抗拉强度与爆破压力随温度升高显著下降（如低碳钢σ_t由室温395 MPa降至1072 K时28 MPa；0.23 mm厚低碳钢爆破压力随温降明显）。临界外部压屈压力P_cr亦随温降（弹性模量E降、泊松比ν升），说明高温下壳体更易屈曲（collapse）。增加壳体厚度提升抗破裂能力（如0.22→0.3 mm可减少单电芯加热测试破裂数），但牺牲比能（厚度增36.4%，比能降约2.4%），属安全─能量密度权衡。其他缓解措施含高强度材料、聚合物增强套筒、间隙屏障材料、相变材料、浸没冷却等。早期压力泄放（如设计阀提前开启）可降低破裂概率但可能更早喷出可燃热气体与火焰，反而加速邻芯热暴露；需综合设计。本研究在100% SOC、针刺触发、21700 NCA/Si-C电芯簇下开展，结论限于该构型与条件；SOC、老化（SOH）、化学体系、电芯形状（方壳、软包）不同时行为或有异，且其他模组设计、加热条件下TR传播未必依赖侧壁破裂／穿孔。内压可用嵌入式传感器或应变片测；形貌分析可辅助事故溯源；数据集可供TR传播模型校验。

结论部分总结如下：研究人员在不同电芯间距下考察了电芯簇内TR传播行为。若针刺触发电芯未发生侧壁破裂或穿孔，即便0 mm直接接触也不会引发TR传播；而只要触发电芯发生侧壁破裂或穿孔（间距0–1.5 mm内），均发生TR传播。侧壁破裂通过增强电芯间辐射与对流换热（射流火焰、高温喷发物、热气体）使相邻电芯快速升温，触发电芯内部剧烈放热与产气，削弱壳体力学强度并受火焰冲击、高速喷发物影响，导致连锁失效。定量给出的高温下壳体力学强度（爆破压力、临界外压屈曲）关系为优化壳体设计（厚度、材料）及模组级屏障、冷却等策略提供基准；虽加厚壳体提升抗破裂性，但引入比能损失，故需在电芯级（壳体厚、材选）与模组级（屏障、防护）间权衡。事后形貌分析有助于模组／包层级TR起源与路径识别。研究提供了温度、质量变化、TR演化时序、形貌等综合数据集，可供TR传播模型验证与航空等高安全电池系统设计参考。