《Process Safety and Environmental Protection》：From Thermal Runaway Propagation to Inhalation Risk: Influence of State of Charge on Heat Transfer and Particle Emissions in Lithium-Ion Batteries
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•首项研究揭示了 SOC 如何放大电池热失控 (TR) 危害，从热传递到颗粒毒性。•一种新颖的产热 - 传热模型量化了模块热失控 (TR) 过程中的自加热和传播。•创新性地揭示了产热强度与电极碎屑之间的关系。•低于 50% 的 SOC 被确定为抑制电池模块热失控蔓延 (TRP
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首项研究揭示了 SOC 如何放大电池热失控 (TR) 危害，从热传递到颗粒毒性。
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一种新颖的产热 - 传热模型量化了模块热失控 (TR) 过程中的自加热和传播。
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创新性地揭示了产热强度与电极碎屑之间的关系。
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低于 50% 的 SOC 被确定为抑制电池模块热失控蔓延 (TRP) 的关键阈值。
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高 SOC 显著加剧了吸入性颗粒危害，通过更大的尺寸和更高的毒性。
引言
随着全球能源结构迅速向低碳转变，锂离子电池因其长循环寿命、高能量密度和环境友好性，已广泛应用于电动汽车和现代能源基础设施 [1], [2], [3], [4]。其中，镍钴锰（NCM）电池的能量密度迅速增加，从 1990 年代的约 100 Wh/kg 上升到目前的 400 Wh/kg 以上。然而，这种能量密度的显著增加也意味着电池中储存的化学能成倍增加，内部活性材料在高温或异常运行条件下表现出更强的副反应倾向，使得热安全问题日益突出 [5], [6]。
近年来，高能量密度电池的热失控 (TR) 事件变得越来越频繁，通常伴随着剧烈的放热、有毒气体的排放、燃烧甚至爆炸 [7], [8], [9], [10]。2024 年 6 月 24 日，韩国京畿道 Aricell 锂离子电池工厂发生火灾，23 名受害者暴露在有毒燃烧烟雾中后成功疏散。这些事件突显了高能量密度电池的重大热安全风险，此类事件中释放的有毒气溶胶强调了电池热失控 (TR) 相关的复杂排放危害 [11]。影响锂离子电池热失控 (TR) 行为的关键因素之一是荷电状态 (SOC) [12]。SOC 本质上反映了电池内可释放的能量量以及可用于副反应的活性材料的数量。高 SOC 条件导致更严重的热失控 (TR) 反应，并可能产生更大数量的吸入性有毒颗粒 [13], [14], [15]。因此，在不同 SOC 水平上进行系统研究，以同时揭示热失控 (TR) 传播机制和颗粒排放行为，具有重要意义。
目前，众多研究人员研究了不同 SOC 条件下电池的热失控 (TR) 行为。较高的 SOC 加速热失控 (TR) 触发：对于磷酸铁锂 (LFP) 电芯，它提前安全阀开启并提高峰值温度 [16]，而对于镍钴锰 (NCM) 电池，它降低临界输入能量和焦耳热，使热失控 (TR) 对加热功率敏感 [17]。关于热失控蔓延 (TRP)，尽管临界温度对电芯间距不敏感，但质量损失随 SOC 显著增加 [18]。在模块层面，较高的 SOC 提高自加热功率，加剧热失控蔓延 (TRP) [19]，并将双热源 NCM811 模块达到热失控 (TR) 的时间缩短约 952 s [20]。因此，升高的 SOC 不仅大幅放大能量释放，还加速了模块内的故障传播。
在锂离子电池热失控 (TR) 期间的颗粒排放方面，报道了特征尺寸分布，通常检测到氟、硫和磷等有害元素 [21]。从满充电芯中，排放的颗粒主要是具有高热氧化反应性的碳包覆金属核 [22]，喷射物主要由 NMC 氧化物和石墨的亚 75 μm 多孔聚集合体组成 [23]。至关重要的是，固体颗粒释放的能量远超气体产物，使这些固体成为热危害的主要贡献者 [24]。
上述研究在揭示 SOC 对电池热失控 (TR) 行为影响方面取得了显著进展。然而，仍然存在两个局限性。首先，大容量电池模块内单个电芯的自加热和传热机制研究相对有限，缺乏从微观角度对产热机制的解释。其次，现有研究主要考虑喷射的粗颗粒，缺乏对亚微米级细颗粒的系统分析。在本研究中，使用单颗粒气溶胶质谱仪表征了电池热失控 (TR) 期间释放的亚微米颗粒的化学成分和粒径分布，并结合呼吸道沉积模型评估了不同 SOC 下的潜在吸入危害，为热传递机制和健康风险评估两个层面的 SOC 管理提供了新视角。
本研究系统地调查了不同 SOC 条件下锂离子电池的热失控 (TR) 行为、模块内的热传播机制、电极碎屑的特征以及吸入性颗粒的排放。首先，进行了由外部加热诱导的单电芯热失控 (TR) 实验，以获得关键特征参数，包括热失控 (TR) 触发时间、电压演变和温升率。系统地分析了 SOC 对热稳定性的影响。在此基础上，建立了模块内单个电芯的能量守恒和传热模型，以定量计算自加热和电芯间热传递，揭示了 SOC 影响模块内热失控蔓延 (TRP) 的机制。此外，本研究系统地分析了电极碎屑的微观结构和相演变特征，完善了对电池产热机制的理解。此外，基于颗粒的粒径分布和化学成分，评估了热失控 (TR) 期间喷射的亚微米吸入性排放物依赖于 SOC 的危害。研究结果可为电池 SOC 管理策略和退役电池的安全利用提供宝贵指导。
章节摘要
电池样品
本研究使用的样品是宁德时代（CATL）生产的商用棱柱形铝壳 NCM 动力电池。电池采用 Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2 作为正极材料，多孔石墨作为负极材料。详细规格列于表 1。
实验设备
图 1 说明了实验设计和装置。所有实验均在密封容器内进行。实验系统主要包括铝制固定框架、双孔径红外和可见光
单电芯热失控 (TR) 行为
图 2(a)~(d) 分别展示了电池在 100%、75%、50% 和 25% SOC 下的温度和电压演变曲线。可以清楚地观察到，在不同 SOC 条件下热失控 (TR) 行为有所不同。以图 2(a) 中所示的 100% SOC 电池为例，在 0~331 s 内，电池表面温度缓慢上升，而电压保持在 4.12 V。当加热时间达到 331 s 时，电池温度迅速上升，最终达到 648 ℃的峰值。
结论
本研究系统地调查了 SOC 对锂离子电池热失控 (TR) 过程及相关危害的影响，重点关注三个关键视角：热失控 (TR) 行为、热传递和产热机制以及吸入性颗粒排放。主要结论如下：
1. 在电芯层面，较高的 SOC 导致更早的热失控 (TR)、更高的峰值温度和更快的温升。对于 100% 和 75% SOC 的电芯，电压下降、排气和热失控 (TR) 几乎同时发生，而在 50%
作者贡献
Z.W.、M.F.、J.Z. 和 X.Z. 构思了本研究。J.Z.、Q.D. 和 Z.W. 设计了开发程序。Y.H.、Q.D.、H.L.、C.S. 和 L.M. 进行了电池热失控实验。Q.D. 和 X.Z. 收集并测试了颗粒排放样品。Y.H.、Q.D.、Z.W.、M.F. 和 X.Z. 分析了结果，并在开发过程中讨论了数据和方法。J.Z.、Q.D. 和 Z.W. 撰写了论文。所有作者都审阅和编辑了论文。
CRediT 作者贡献声明
马龙： 数据整理。 傅明： 监督、项目管理、概念化。 赵金隆： 写作 - 审查与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。 何伊家： 写作 - 审查与编辑、写作 - 原稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据整理。 张小乐： 写作 - 审查与编辑、监督、资源、项目管理、资金获取、概念化。
竞争利益声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本研究部分得到了国家自然科学基金（项目编号 72474116）、国家自然科学基金（项目编号 52522407）、中国辐射防护研究院自主研究项目（项目编号 ZFYHHJMN-2023001）以及中央高校基本科研业务费（项目编号 2025JCCXAQ02）的支持。
何伊家 | 董强 | 王战 | 李会锋 | 尚陈伟 | 马龙 | 傅明 | 赵金隆 | 张小乐
