《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Thermal runaway propagation behaviors in lithium-ion battery packs with hybrid and staggered arrangements
编辑推荐：
•合理使用LFP电芯通过吸收和耗散热量阻断TR传播。•全交错布局（5:5）通过重新分配热流路径抑制TR。•结合3:7交错和LFP的协同设计提高热安全性。•能量流动分析揭示了不同布局下TR抑制机制。引言在全球脱碳趋势下，电动汽车作为解决能源和环境问题的有效方案得到了迅速发展[1
- •
合理使用LFP电芯通过吸收和耗散热量阻断TR传播。
- •
全交错布局（5:5）通过重新分配热流路径抑制TR。
- •
结合3:7交错和LFP的协同设计提高热安全性。
- •
能量流动分析揭示了不同布局下TR抑制机制。
引言
在全球脱碳趋势下，电动汽车作为解决能源和环境问题的有效方案得到了迅速发展[1]、[2]、[3]。锂离子电池具有高能量密度和长循环寿命，已成为电动汽车的主要储能系统[4]、[5]、[6]、[7]。然而，随着能量密度的增加，内部散热路径和可用的热管理空间减少，这显著增加了散热难度[8]、[9]、[10]。一旦电池温度超过安全运行范围，热失控可由各种滥用条件触发，包括过充和过热，并迅速传播至相邻电芯，导致模块灾难性失效[11]、[12]、[13]。因此，在早期延迟或阻断TR传播对确保电动汽车安全至关重要。
近年来，抑制TR传播的研究主要集中在改进电池热管理系统以增强散热和温度控制[14]、[15]。根据冷却方法，BTMS可分为主动和被动方法[16]、[17]。主动冷却主要包括风冷、液冷和制冷剂直接冷却[18]、[19]。然而，由于空气冷却剂的换热能力相对较低，风冷通常不足以处理TR过程中产生的极高热流[20]。因此，越来越多的研究关注液冷技术及其增强配置，以实现更有效的热管理[21]。大量研究从流动参数和结构优化的角度研究了液冷系统的增强机制[22]、[23]。Xiao等人[24]表明，将冷却剂流速从0.009增加到0.029 m/s可使TR传播时间从17.8秒延长至32.9秒。更多的冷板通道缩短了传热路径并将板间最大温差从224 K降低至111 K。此外，制冷剂直接冷却因其通过相变吸热的能力而吸引了越来越多的关注，提供了优异的瞬态冷却能力。Kang等人[18]将制冷剂冷却与传统液冷和风冷进行比较，并强调了混合工质的潜力。此外，相变冷却介质如液氮被证明对极端热事件非常有效；例如，Huang等人[25]实验证明，在TR过程中，液氮喷射可以在80秒内将电池温度从700°C迅速降至100°C以下。Zhou等人[26]报道了蛇形通道改善了刀片电池的冷却性能。在1C放电时，温度差被限制在3.57°C，峰值温度降低了7.17°C。优化设计还将温差降低了66.75%，降低了热诱导TR的风险。与主动冷却相比，被动冷却依靠功能材料（如相变材料和隔热材料）来调节传热，无需外部能源输入，因此吸引了越来越多的关注[27]。例如，Gong等人[28]数值研究了使用相变材料时电池包中的TR传播。Li等人[29]通过实验和模拟开发了导热系数提高近100%的复合相变材料。在3C放电下，裸电池的表面峰值温度从80.1°C降至复合PCM的61.6°C，降低了18.5°C。
然而，主动和被动冷却方法不可避免地增加系统复杂度并占用额外空间[30]、[31]。相比之下，基于结构的TR抑制方法不需要额外的冷却设备。它们通过优化空间布局、电气拓扑和异质电池配置来减缓传热和热传播[32]、[33]。早期研究主要集中于几何排列和物理间距。He等人[34]表明，棋盘式排列可以在75%荷电状态下完全抑制TR传播，并在50% SOC时将TR触发阈值提高约22°C。Jin等人[35]发现，直线排列的TR传播间隔为134.5秒。7:13交错排列仅以3%的能量密度降低抑制了TR传播，并显著减少了相邻电芯之间的热流。Wang等人[36]进一步研究了电芯到底盘电池包中的TR传播。他们的结果表明，砖块布局比对齐布局提供了更高的安全性，2毫米气凝胶隔热层完全阻止了TR传播，尽管在局部失效场景中需要更厚的隔热层。除了几何设计参数，如Hendrik Pegel等人[37]和Lu等人[38]提出的安全间距策略，模块级的电气拓扑也被认为是影响TR传播行为的关键因素。Xu等人[39]研究了不同串并联连接方案下的TR传播，揭示电气连接调节局部失效期间的电流重新分配，从而影响后续的热危害。尽管在布局和多拓扑方面有了这些改进，单一化学体系的电池模块仍存在固有的安全局限性。因此，结合不同电池化学体系或SOC水平的异质配置已作为一种有前景的安全策略出现。Zhu等人[40]比较了多种电池配置，证明SIB-NCM混合系统取得了最佳整体性能。Yao等人[41]提出了一种新颖的"A-B"电池配置，其中热稳定的磷酸铁锂电池被嵌入到富镍三元体系中。他们的结果表明，相邻的LFP电芯有效阻断了TR传播。总体而言，基于结构的TR抑制已被证明是提高电池安全性的有效策略。
尽管取得了这些进展，大多数关于混合电池系统的研究仅限于一维（单排）配置，仅考虑纵向上的传热。然而，在实际工程应用中，电池组通常以二维阵列排列，其中TR的起始位置显著影响热传播模式和相邻电芯的失效演化[42]。此外，不同类型电池的不同排列方式可以显著改变电池模块内的传热路径和热耦合。因此，热传播在纵向和横向同时发生，导致更复杂的TR传播行为。因此，有必要研究二维混合电池模块中的TR传播机制，特别是在不同排列策略下，这有助于实现对TR的有效控制。
本研究开发并验证了NCM811和LFP电池的热失控传播模型。本工作的主要贡献总结如下。首先，本研究首次系统研究了交错排列和混合电池化学体系对二维混合电池模块中TR抑制的协同效应，揭示了结构配置和材料异质性如何共同影响热传播路径。其次，除了主要通过温度演化和热场分布来表征TR行为的传统研究外，本研究定量分析了能量转移过程和热流路径，从而揭示了潜在的散热和热缓解机制。此外，与参考文献[41]主要研究一维电芯排列中的TR传播相比，本研究建立了一个二维多方向传热框架，考虑了空间排列和异质材料的耦合效应。通过能量流动分析，本工作进一步阐明了由交错布局和混合材料诱导的协同抑制机制，为提高混合电池模块的热安全性提供了新的见解和更全面的设计策略。
章节摘要
物理模型
本研究关注NCM811和LFP电池混合及交错排列对TR传播特性的影响。由于高镍含量，NCM811电池实现了更高的能量密度，但表现出更严重的TR行为。相比之下，LFP电池显示出更好的热稳定性[43]。为两种电池类型建立了三维物理模型，如图1所示。为平衡计算效率和精度，该模型
单个LFP电芯对TR传播的影响
为了评估LFP电芯对TR传播的阻断效果，设计了一系列NCM811/LFP混合模块配置，如图6所示，其中N和L分别代表NCM和LFP电池电芯。电池模块包含以2×4阵列排列的八个电芯，其中Bat 1-Bat 4和Bat 5-Bat 8分别位于第一行和第二行。对于所有研究的案例，Bat 1固定为NCM811电芯并通过针刺触发热失控，
结论
本工作数值研究了混合电池系统的热失控传播，并彻底研究了混合电芯配置以及直线或交错电芯排列对TR传播行为的影响。分析了不同布局下的温度演化和能量流动分布，以阐明材料吸热与结构热量重新分配之间的协同抑制机制。这些发现为工程提供了指导
CRediT作者贡献声明
曾俊雄：写作–初稿，研究，资金获取，概念化。刘雪雪：验证，软件，数据管理。吴帆：软件，方法学。傅小军：监督，项目管理，资金获取。赖晨光：方法学，研究。翟广涛：写作–审阅和编辑，形式分析。吴创：可视化，项目管理。冯任华：形式分析，数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们不存在任何实际或潜在的利益冲突，包括任何财务、个人或任何其他关系。
致谢
本研究由重庆市教委科学技术研究项目（项目编号 KJQN202401122和项目编号KJZD-K202601103）以及重庆市自然科学基金（项目编号 CSTB2024NSCQ-MSX0313）资助。
曾俊雄|刘雪雪|吴帆|傅小军|赖晨光|翟广涛|吴创|冯任华
