《Process Safety and Environmental Protection》：Failure Mode-Dependent Thermal Runaway Propagation in 46950 Cylindrical Battery Modules: Experiments and Monte Carlo Modeling
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摘要随着锂离子电池（LIBs）不断追求更高的能量密度和更大的尺寸，热失控现象已成为一个关键的安全挑战。虽然触发源的热边界条件决定了电池的初始失效模式，但它们在模块级别后续传播中的作用尚未得到充分量化。使用46950大型圆柱形电池，在不同的加热条件下观察到了两种失效模式：一种是通风
摘要
随着锂离子电池（LIBs）不断追求更高的能量密度和更大的尺寸，热失控现象已成为一个关键的安全挑战。虽然触发源的热边界条件决定了电池的初始失效模式，但它们在模块级别后续传播中的作用尚未得到充分量化。使用46950大型圆柱形电池，在不同的加热条件下观察到了两种失效模式：一种是通风模式（VM），由通风口附近的局部加热引起；另一种是破裂模式（RM），由电池的均匀加热触发。在3×4蜂窝状电池阵列上进行了模块级别的传播实验，结合了中心和边缘触发位置以及这两种失效模式。为了量化传播的不确定性，基于VM和RM的不同传播特性，开发了基于实验的蒙特卡洛（MC）模型。结果表明，失效模式显著影响传播行为。VM通过模块底部的空腔促进快速传播，导致电池在5-8秒内同步触发并完成传播。相比之下，RM表现出较慢的三阶段传播过程，持续时间为14-15秒，并具有明显的方向性不对称性。MC模拟进一步显示，VM具有高度确定性，传播时间的标准差低于0.3秒，而RM的不确定性较大，达到2.44秒。这些发现表明，在以破裂为主的场景中，确定性安全裕度可能低估了风险，因此应替换为概率上限标准。这项工作提供了一个基于实验的框架，将外部加热配置、初始失效模式、传播机制和46950圆柱形电池模块的不确定性特征联系起来。
引言
锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、长循环寿命和成本下降而成为电动汽车的广泛使用的电源（Ouyang等人，2025年；Pal等人，2025年）。然而，安全性仍然是一个关键问题：在过热、过充或机械损坏等滥用条件下，电池可能会发生热失控（TR），这是一种不受控制的放热链式反应，伴随可燃气体、电解质蒸汽和颗粒物的喷出（Bugryniec和Brown，2025年；Liu等人，2025年；Yu等人，2026年）。单个电池的热失控事件可能升级为整个模块或电池组的热失控传播（TRP），导致灾难性的火灾或爆炸。TR的严重程度和特征因电池化学成分和外形因素而异（Li等人，2025年）。46xx系列的大型圆柱形电池，包括4680、4695和46120型号，由于其高体积能量密度、无板电极设计和与高产量制造的兼容性而正在迅速商业化（Eze等人，2025年；Gao等人，2026年；Li等人，2026年；Lin等人，2024年）。这些电池在蜂窝阵列中的密集排列，加上凝胶卷结构本身的各向异性热传导性（沿着电流收集器的热传导速度比通过隔膜层的快一个数量级以上），使得TRP的动态与棱柱形或袋装电池模块完全不同（Spinner等人，2016年；Tang等人，2020年）。因此，理解大型圆柱形模块中的TRP行为已成为一个紧迫的工程问题。
在单个电池层面，TR由一系列放热副反应控制，包括SEI分解、阳极-电解质反应、隔膜熔化和伴随氧气释放的阴极分解（Ouyang等人，2025年）。先前的研究表明，失效模式受到热负荷的空间分布和强度的强烈影响，这影响了电池内部压力的产生、积累和释放方式（Kurzawski等人，2023年；Zhong等人，2018年）。证据表明，局部和均匀加热条件可能导致不同的压力释放行为，从正常的安全阀打开到不受控制的外壳破裂（Wu等人，2024年）。由于失效模式决定了能量从电池中释放的途径，因此预计它会对后续的TRP产生重要影响。然而，外部加热配置与失效模式之间的关系尚未得到系统研究（Kong等人，2024年；Tang等人，2024年）。
已经广泛研究了模块级别的TRP与电池荷电状态（SOC）、电池间距、热障材料（Chen等人，2025年；Yu等人，2025年）和主动冷却策略（Xiao等人，2024年）之间的关系。主要的传热路径已经被很好地描述（Daniels等人，2025年；Lai等人，2021年；Yan等人，2021年；Zhang等人，2025年）。Zhu等人（Zhu等人，2023年）证明SOC对传播速度的影响明显大于电池间距。Zhang等人（Zhang等人，2025年）首次使用电池烟雾解耦方法定量区分了直接传导和热气体对流。各种TR触发方法已被广泛采用，Lai等人表明触发方法显著影响早期传播（Lai等人，2021年；Mallarapu等人，2024年）。此外，周围边界条件可以改变电池火灾的火焰特性和热辐射（Huang等人，2025年）。尽管取得了这些进展，不同失效模式如何影响模块级别的传播行为和不确定性仍然不清楚。
蒙特卡洛（MC）模拟将参数不确定性转换为概率输出，并已应用于SOC估计、寿命预测和热管理（Kim等人，2024年；Orcioni和Conti，2020年）。在TRP背景下，Bugryniec等人（Bugryniec和Brown，2025年）证明确定性方法大大高估了安全裕度。Yu等人（Yu等人，2026年）通过特征温度概率建模揭示了多种传播模式。这些研究强调了不确定性量化对电池安全评估的重要性。然而，现有的基于MC的TRP模型通常假设均匀的传播机制，并将不确定性视为其他均匀过程的统计扰动。当不同的失效模式产生根本不同的传播行为时，这一假设变得值得质疑。特别是，定向喷射破裂引入了强烈的空间各向异性，导致电池间的传播延迟显著不同。因此，实验观察到的依赖于失效模式的传播行为与当前的概率建模方法之间仍存在关键差距。对现有文献的回顾表明，尚未将基于实验的、依赖于失效模式的随机模型纳入基于MC的TRP预测框架中。
先前的研究表明，触发方法和滥用条件可以影响TRP。然而，对于在外部热滥用下的大型圆柱形模块，加热配置、初始失效模式、模块级传播路径和传播不确定性之间的关系尚未得到充分量化。在这里，我们分别研究了46950圆柱形电池在局部加热和均匀加热条件下的通风模式（VM）和破裂模式（RM）的失效。然后开发了特定的依赖失效模式的实验性MC模型，以量化相关的传播时间和不确定性。该框架仅限于所研究的外部加热条件，并不旨在直接代表其他未经进一步验证的滥用场景。
章节片段
电池参数
如图1（a）所示，本研究中使用的电池是46950大型圆柱形LIB，在100%的电池荷电状态下进行测试，其阴极采用高NCM材料，镍含量约为90%。如图1（b）所示，内部凝胶卷结构由阴极、隔膜和阳极的同心缠绕层组成。在这种架构中，铜和铝电流收集器建立了高效的平面内热传导路径
蒙特卡洛模拟方法
MC模型是在MATLAB中实现的。本节建立了两种特定的失效模式的物理驱动随机模型，将单个电池实验中发现的VM和RM触发模式抽象为适合MC模拟的热传导延迟的数学描述。主要区别在于VM模式的延迟是各向同性的，仅取决于与触发源的欧几里得距离，而RM模式的延迟则具有很强的方向性，取决于方位角
单个电池的TR行为：VM与RM
单个电池的TR实验揭示了根本不同的触发模式。在局部加热下，安全阀正常打开，从阀口喷出定向火焰 jet；电池外壳保持完整。在均匀加热下，安全阀未能打开，电池外壳剧烈破裂，产生多方向火焰喷射和广泛的外壳损坏，这是一种明显的不同失效形态（图4（c-d））。在当前术语中，RM指的是
结论
本研究通过单个电池实验、模块传播实验和MC模拟，研究了加热配置对46950大型圆柱形电池的TR触发模式和模块级别传播行为的影响。主要结论如下：
CRediT作者贡献声明
陈广新：撰写——原始草案、可视化、方法论、数据管理。于荫：监督、调查。段强灵：监督、资源获取。涂哲：资源、数据管理。刘鹏杰：资源、 Formal分析。金凯强：监督、方法论、资金获取。王庆松：方法论、 Formal分析。孙金华：监督、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告的工作。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（编号2024YFB2505002）、国家自然科学基金（编号52474258）和中央高校基本科研业务费（编号WK2320250079）的支持。
陈广新|于荫|涂哲|刘鹏杰|段强灵|王庆松|孙金华|金凯强
