在多维外部触发因素作用下，大容量NCM（镍钴锰）和LFP（锂铁磷酸盐）电池单体及系统热失控特性的比较研究

《Process Safety and Environmental Protection》：A Comparative Study on the Thermal Runaway Characteristics of Large-Capacity NCM and LFP Battery Cells and Systems Under Multidimensional External Triggers

　　

田永军|吴久辉

摘要

随着高能量密度、大容量锂离子电池（LIBs）在电动汽车和储能系统中的快速应用，在复杂滥用条件下，热失控（TR）和火灾隐患已成为关键的安全问题。本研究从电池单元层面到系统层面，系统地探讨了大容量锂镍钴锰（NCM）电池和锂铁磷酸盐（LFP）电池在多种滥用条件下的热失控特性。结果表明，NCM电池的热失控触发温度较低，峰值温度较高，质量损失率也更大，表明其热稳定性较差。在不同类型的滥用方式中，机械滥用具有最高的破坏性，且无论电池化学成分如何，都能迅速引发热失控。过充与过热同时发生时，会显著加速放热链式反应，热失控的严重程度随着过充电流的增加而加剧。在系统层面，NCM电池系统在钉子刺穿的情况下会出现极快的热失控传播和剧烈的喷射燃烧现象，而LFP系统在相同条件下能有效抑制热失控的传播。然而，在热滥用条件下，LFP系统内部可燃气体的积聚会导致严重的闪络和爆燃，产生的火灾强度甚至高于NCM系统。研究结果表明，电池系统的安全性能不仅受材料本身特性的影响，还受到结构约束、热管理以及可燃气体积聚的耦合效应的影响。本研究为大容量锂离子电池系统的安全设计、热失控预防和火灾风险评估提供了重要的理论指导和实验依据。