不同倍率过充诱导的 314 Ah 磷酸铁锂电池热失控及基于液体热管理的热失控抑制

《Process Safety and Environmental Protection》：Thermal runaway of 314 Ah LiFePO 4 battery induced by overcharging with different rate and thermal runaway suppression based on liquid thermal management

　　

摘要 锂离子电池过充容易引发热失控，对其安全运行构成重大危害。本文研究了不同过充倍率下 314 Ah 磷酸铁锂（LFP）电池的热失控特性。揭示了两种应急响应措施及其耦合对热失控的抑制效果。结果表明，在内部短路前，电化学副反应主导过充行为。锂枝晶引起的内部短路导致剧烈的放热副反应、大量产热和热失控。高过充倍率（≥1 C）加速了电化学副反应和锂枝晶的生长，而低倍率（≤0.2 C）抑制了这些过程并延缓了热失控。液冷热管理（冷却液流速：1.5 L/min，温度：10 ℃）无法阻止 0.2–1 C 过充下 314 Ah 电池的热失控，但能延长热失控时间。在 0.2 C 过充下，热失控时间从 3660 s 增加到 8291 s。在内部短路前停止过充可以防止热失控。在内部短路后停止过充并基于液冷热管理进行冷却，热失控仍无法防止。内部短路是过充条件下热失控的关键。建议使用液冷热管理来延长热失控时间，为断电提供更多时间以防止过充下的热失控。本文的研究成果对大容量锂离子电池热失控的预防和应急处理具有重要意义。

引言 随着全球经济的快速发展，煤炭、原油和天然气等化石能源逐渐枯竭。与此同时，全球变暖和环境污染等问题日益严重，给全球能源和环境系统带来了巨大挑战（Tang 等，2025，Jia 等，2025）。作为一种新兴的电化学储能技术，锂离子电池凭借其高能量密度、长循环寿命、低自放电率、节能和环保等优势，已成为新能源技术和电化学储能产业的重要基石（Liu 等，2026a，Ouyang 等，2025a）。锂离子电池的应用将在促进能源结构绿色低碳转型中发挥至关重要的作用。然而，安全问题已成为锂离子电池应用和发展的关键障碍。在机械滥用、电气滥用和热滥用等滥用条件下，锂离子电池容易发生热失控、起火和爆炸（Hu 等，2024，Zhou 等，2025，Liu 等，2025a）。过充是锂离子电池常见的电气滥用之一。在过充过程中，过量的锂嵌入可能导致电极材料结构退化和电解液分解加速，导致热量迅速积聚并进一步触发热失控（Ouyang 等，2025b，Xie 等，2025）。大容量锂离子电池存储能量更多，火载荷更高，因此过充引发的热失控造成的危害更为严重。因此，研究过充引发热失控的预防和应急处理对电池的安全应用具有重要意义。

长期的充放电使过充成为导致锂离子电池热失控的典型滥用。为防止过充引起的安全事故，有必要研究过充引发热失控的内部机制。Liu 等（2022a）对过充期间锂离子电池的内部机制进行了深入研究。结果表明，正常充电、锂枝晶生长、电解液氧化和分解、过量电解液分解以及固体电解质界面膜的分解和再生等反应在电池内部相继发生。Gao 等（2025）通过拆解 1 C 过充的 LFP 电池并分析电压曲线，将过充过程分为五个反应阶段：过充滞后、稳定锂脱嵌、电解液氧化分解、锂和电解液耗尽以及短路。Tong 等（2025）研究了高低温老化对过充引发热失控的影响，发现负极表面沉积锂与电解液之间的反应是电池过充期间触发热失控的关键因素。Liu 等（2025b）揭示了正极产生的氧气与电解液之间的交叉反应以及锂枝晶生长是过充期间导致热失控的关键因素。除了机制研究外，还有必要探索影响过充引发热失控的因素。Sun 等（2025a）研究了不同充电倍率对电池热失控特性和内部结构演变的影响。他们的结果表明，较高的过充倍率导致较差的热稳定性和较高的热失控温度。Wang 等（2024）也研究了不同充电倍率下 LFP 电池过充引起的热失控特性。他们发现锂枝晶的生长速率随充电倍率的增加而加速，导致大规模短路更早形成。Liu 等（2022b）分析了环境温度对锂离子电池过充引发热失控的影响。他们发现在高温环境下，固体电解质界面膜（SEI）的分解速率加快，从而增加了热失控的风险。Yu 等（2025）比较了过充下 NCM 和 LFP 电池的热失控特性和形态变化。他们发现 LFP 电池的热稳定性优于 NCM 电池。总体而言，关于锂离子电池过充下热失控现象和机制的研究丰富，为热失控预防措施的发展奠定了坚实的理论基础。为降低锂离子电池的热失控风险，可以使用电池热管理系统（BTMS）吸收热量，防止电池温度过高引起的热失控。传统电池热管理系统包括风冷、液冷和相变材料（PCM）冷却（Gharehghani 等，2024，Zheng 等，2025）。风冷结构简单，但传热性能差，冷却能力有限，无法满足电池热失控期间及时有效的散热要求（Chen 等，2024，Gupta 等，2026，Zeng 等，2024，Chebli 和 Mechighel，2025）。虽然相变材料具有高潜热、低成本和良好的等温控制优势，但其低热导率极大地限制了其在电池热管理中的应用。与风冷和 PCM 冷却相比，液冷显示出更好的冷却性能和更广泛的应用（Wu 等，2024，Han 等，2025）。由于冷却液的高热导率和高比热容，液冷已成为电池热管理的研究焦点。液冷热管理使用热导率和比热容远高于空气的液体，高效吸收电池产生的热量。热量随后通过液体流动释放到外部环境中（Wu 等，2024，Koorata 等，2024，Chavan 等，2024）。Tang 等（2024）研究了不同液冷通道类型对冷却板散热性能的影响。结果表明，在电池大面上布置蛇形通道冷却板可以显著降低电池组的内部温差。Ding 等（2021）分析了通道数量和通道纵横比如何影响液冷系统的冷却能力。他们发现在一定范围内增加通道数量和纵横比可以大幅提高冷却性能。Sun 等（2025b）研究了冷却液流速和温度对双面液冷系统的影响。他们发现较低的冷却液温度和较高的流速降低了电池模块的最高温度和温差。与流速相比，冷却液温度对双面液冷系统的影响更大。Birinci 等（2025）研究了冷却板高度和冷却液流速对圆柱形锂离子电池组热管理的影响。结果表明，冷却液流速对冷却效率的影响比冷却板高度更显著。对于液冷热管理系统，流道设计、冷却液流速和温度都是决定 BTMS 散热性能的关键参数。根据文献综述，现有 BTMS 研究主要集中于在日常使用中使电池保持在最佳工作温度范围内。然而，当电池过充时，锂离子电池的内部结构直接受损，导致电解液剧烈分解。这释放出大量热量和气体，加速电池温度升高。如果副反应产生的热量不能及时散发，将触发一系列链式放热反应，最终导致热失控。虽然许多研究揭示了锂离子电池过充条件下的热失控机制，但关于热失控抑制方法和机制的研究很少。为填补这一空白，本研究研究了不同充电倍率下大容量电池的热失控和产热。随后，揭示了过充引发的热失控的两种应急响应措施的抑制效果和机制。结果为过充预警后的热失控控制方法提供了有用的知识。本研究以大容量棱柱状磷酸铁锂电池（314 Ah）为研究对象。研究了不同过充倍率下的热失控（TR）特性，并分析了过充期间产热的变化。基于实验结果，本研究还通过调整冷却液流速、温度和 LCTMS 激活时间，系统评估了液冷热管理系统（LCTMS）对过充引发热失控的抑制效果。此外，考察了在不同阶段切断过充对电池热失控的影响。本研究的结果为锂离子电池的安全运行和应急处理提供了重要参考和技术支持。

章节片段
实验材料
本研究使用了 314 Ah 棱柱状磷酸铁锂电池，其规格列于表 1。实验前，电池在 0.3 C 恒流恒压（CC-CV）模式下充电至 100% SOC，然后在 0.3 C 下放电至端电压降至 2.5 V。每个电池循环三次。最后，电池以 0.3 C 充电至 100% 荷电状态（SOC）。

过充测试
实验装置示意图如图 1 所示，

热失控特性
314 Ah 锂离子电池在测试前充电至 100% SOC，然后在 0.2、0.4 和 1 C 下充电至热失控。不同充电倍率下电池的温度和电压变化如图 3 所示。基于锂离子电池的温度和电压演变，过充引发的热失控过程可分为七个阶段。以下讨论 0.4 C 下的过充过程。
阶段 Ⅰ：由于电极容量

结论
本研究调查了不同倍率过充下大容量（314 Ah）LiFePO4 电池的热失控（TR）特性和产热。揭示了两种应急响应措施及其耦合下热失控的演变。
主要结论如下：
(1). 电化学副反应和材料变化主导内部短路前的过充行为。且电化学副反应产生的热量和焦耳热贡献最大

CRediT 作者贡献声明
Xiaoming Jin：调查。Wei Liu：数据整理。E Chun：形式分析。Jialong Liu：经费获取，数据整理。Zhirong Wang：监督。Jialei Liu：调查。Hui Zhang：方法论。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报道的工作。

致谢
作者感谢国家重点研发计划（2023YFC3009900）、江苏省自然科学基金（BK20240543）、国家自然科学基金（52272396, 52474233）给予的支持。

Jialong Liu|E Chun|Wei Liu|Xiaoming Jin|Hui Zhang|Jialei Liu|Zhirong Wang