NCM电池热失控过程中的安全阀响应：焊接完整性与温度变化的耦合作用

《Process Safety and Environmental Protection》：Safety Valve Response During Thermal Runaway of NCM Batteries: Coupled Effects of Welding Integrity and Temperature Excursion

　　摘要：热失控（TR）事件经常导致严重后果，使得镍钴锰（NCM）锂离子电池的安全性成为新能源汽车面临的关键挑战。安全阀是在TR事件中释放内部压力的关键部件。然而，目前对于阀门设计参数与实际电池安全性能之间的关联仍缺乏理解。实验结果显示，在TR过程中的开启压力比设计值低13-54%。此外，较低的设计开启压力和更大的阀门开启面积将逸出时间显著缩短了约20-108秒，并将再出现压力Ptr降低了约0.15 MPa，从而显著提高了电池安全性。为了找出上述结果的机制，本研究系统地探讨了工作温度和制造工艺（特别是焊接技术）对安全阀性能和热响应行为的影响。根据实验结果，焊接使过程能力指数（CPK）降低了9-25%，阀门开启压力降低了15-23%。材料测试显示，阀门材料MFX2-O在100°C时的抗拉强度下降了15%，盖板材料Al 3003的抗拉强度下降了12%。这种差异可能导致应力集中，并进而影响热失控时安全阀的响应。这些发现对于高能量密度锂离子电池的温度补偿安全阀设计开发具有重要意义。

引言：锂离子电池（LIBs），尤其是采用镍锰钴（NCM）正极的电池，由于其高能量密度和优异的低温性能，已成为电动汽车（EVs）和固定应用中的主要储能解决方案（Zhao等人，2025年；Li等人，2024年）。然而，对更高能量密度的追求，特别是使用NCM811等富含镍的化学成分，加剧了固有的安全问题。与锂铁磷酸盐（LFP）等更热稳定的系统相比，NCM电池的热失控触发温度更低，在分解过程中产生的气体更多，导致更剧烈和危险的故障事件（Shen等人，2023年；Li等人，2025a）。这种固有的不稳定性需要强大的安全机制，其中安全阀至关重要。安全阀作为LIB的最后一道防线，设计为在预定的内部压力下破裂，以释放热气体并防止外壳灾难性破裂（Liu等人，2025年；Li等人，2025b）。其性能主要受两个关键设计参数的影响：爆破压力和阀门开启面积。这些因素直接影响TR的发生时间和严重程度（Jia等人，2024年）。例如，较低的爆破压力或较低的环境压力可以促使阀门更早开启，提供早期警告，并可能降低TR事件中的峰值温度和总气体产生量（Xu等人，2026年）。相反，较高的爆破压力会延迟阀门开启，允许更大的内部压力积聚，导致更完全和剧烈的化学反应，以及产生更多易燃气体（如H2和CO）（Sun等人，2025年）。除了设计外，制造工艺（特别是激光焊接）也会对阀门性能产生显著影响。焊接产生的热影响区和残余应力可能损害薄铝阀的结构完整性，导致变形、爆破压力改变以及批间的一致性差（Qu等人，2023年；Mo等人，2025年）。先进技术如冷锻已被证明可以显著提高一致性。该技术可以将断裂压力控制在0.83±0.05 MPa范围内，误差率低于3.8%（Kim等人，2017年）。然而，具体焊接参数与阀门开启压力一致性之间的定量关系仍是文献中的关键空白。此外，TR期间的极端热环境会严重影响所涉及材料的机械性能。研究表明，电池组件和铝合金的刚度和强度在高温下会显著下降，某些合金在200°C以上几乎完全失去强度（Ma等人，2018年；Zeybek等人，2026年；Sun等人，2026年）。这种温度依赖性的退化预计会改变安全阀在实际使用条件下的激活特性。然而，关于常见阀门材料（如特定铝合金）在200°C至600°C范围内的高温机械行为，目前缺乏系统性的数据（Chen等人，2025年；Wang等人，2026年）。温度、内部压力和制造引起的应力对安全阀实际开启行为的综合影响尚未得到全面研究。总之，安全阀的开启压力和开启面积是决定阀门触发时间和TR期间压力释放速率的关键设计参数（Zeng等人，2025年），因此在减轻电池危害方面起着决定性作用。然而，这些参数并非孤立作用；阀门的行为受到多种因素的影响。制造过程中激光焊接引起的热应力会改变阀门的机械完整性（Lai等人，2022年；Shironita等人，2021年），而TR事件期间产生的极端温度会进一步降低材料性能。因此，存在双向关系：阀门的设计决定了TR的进展，但TR环境又反过来影响阀门的机械响应。为了阐明这种复杂的相互作用，本研究系统地探讨了安全阀设计参数对NCM LIBs TR行为的影响，特别关注高温如何影响实际阀门开启动态。本研究的目的是阐明温度影响安全阀开启压力的多尺度机制，并建立阀门设计参数与三元锂离子电池TR行为之间的定量关系。为此，采用了分层实验方法，如图1所示。在电池单元层面，对装有不同开启压力和面积安全阀的电池进行了过充诱导TR测试，从而将阀门设计参数与关键热失控指标（包括实际开启压力、残余压力、逸出时间和特征温度）相关联。在组件层面，进行了阀门与基板焊接前后开启压力的比较测量，以确定焊接引起的热效应对阀门性能下降的具体贡献。在材料层面，对阀门和基板材料进行了高温拉伸测试，以确定温度依赖的机械性能演变及其在调节阀门缺口处应力集中中的作用。这种综合方法有助于全面理解制造工艺和操作热条件如何共同决定安全阀的功能，从而为高能量密度锂离子电池中的温度补偿安全阀设计提供科学依据。

实验平台和方法：温度和压力是导致金属部件变形和应力集中的关键因素。为了研究温度、安全阀参数、阀门行为和LIBs TR特性之间的关系，按照逻辑顺序设计并进行了一系列实验（图1）。首先，对装有不同设计开启压力和面积的安全阀样品进行了过充诱导TR测试，在整个TR过程中持续监测了温度和内部压力数据。图3总结了温度和内部压力的变化情况，展示了不同安全阀配置下的独特行为模式。

安全阀设计参数对NCM电池电滥用行为的影响：对装有不同设计参数的安全阀的LIBs进行了过充诱导TR实验，在整个TR过程中持续监测了内部压力和温度数据。图3(a-b)显示了TR过程中的温度演变特征。

结论：本研究系统地探讨了温度对安全阀开启压力的影响，以及两个关键设计参数——开启压力和开启面积——对三元锂离子电池热失控行为的影响。研究结果阐明了安全阀在决定电池安全性能中的关键作用。主要结论如下：
(1) 在锂离子电池的热失控过程中，安全阀的实际开启压力...

作者贡献声明：
Guoyan Liu：可视化、监督、方法论。
Jinhua Sun：写作 - 审稿与编辑、监督、方法论、调查。
Qingsong Wang：写作 - 审稿与编辑、监督、数据管理。
Gang Yang：写作 - 审稿与编辑、初稿撰写、验证、软件应用、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。
Yuxuan Li：方法论、数据管理。
Xinfeng Li：监督、资源协调。
Qiangling Duan：正式分析、利益冲突声明。

作者声明：他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢：本研究得到了国家自然科学基金（编号U25B6023）的支持，Q.S. Wang还得到了中国科学院青年创新促进会（编号Y201768）的支持。

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