大容量方形磷酸铁锂（LFP）电芯在外部加热与过充条件下热失控及火灾行为

《Journal of Loss Prevention in the Process Industries》：Thermal runaway and fire behavior of large-format prismatic LFP cells under external heating and overcharge conditions

　　

锂离子电池因存在热失控（thermal runaway, TR）风险而带来火灾隐患，但针对大容量磷酸铁锂（LFP）电芯，滥用方式对所致危险特性的影响仍认识不足。研究人员通过实验研究了20只305 Ah方形LFP电芯在过热（OH）与过充（OC）叠加引燃器点火条件下的热失控火灾场景危险特性。采集数据包括产热速率（HRR）、总释热（THR）、质量损失、CO与CO2浓度、烟气生成量、热通量、火焰行为及事后解剖分析。结果表明，向热失控演化的进程强烈依赖于滥用方式。安全泄压阀开启在过热下约46 min出现，平均表面温度129 °C；在过充下约103 min出现，平均表面温度44 °C，二者伴随不同的释放机制与燃烧行为。尽管存在差异，在所研究条件下若干热失控事件特征具可比性：峰值表面温度约500 °C，总质量损失21%，总释热约7–8 MJ，事后损伤相当。危险特性强烈依赖于失效阶段。过热泄压产生最高峰值产热（284 kW）与烟气生成速率（1.3 m2 s?1），而过充以液态电解液喷出为特征。即便电芯化学体系相同，有效燃烧热、烟气生成量等电池火灾研究中常报量值也随滥用方式变化。上述发现凸显了在解读电池火灾实验与构建工程设计火灾场景时考虑滥用方式与失效阶段的重要性。

研究背景方面，电池储能系统（BESS）在全球加速部署，理解其隐患尤为关键。目前商用锂离子电芯以镍锰钴氧化物（NMC）与LFP为主，LFP因成本低、热稳定性好被广泛采用，但大容量（≥300 Ah）方形LFP电芯火灾行为表征仍不充分。标准测试（如UL9540A）数据多不公开，且已有实验在触发方式、量热配置和通风条件上差异大，难以横向比较。更重要的是，滥用方式（外部加热OH vs 电化学过充OC）被认为会显著改变火灾动力学，但针对现代BESS代表的大容量LFP电芯尚无直接对比数据。该研究发表于《Journal of Loss Prevention in the Process Industries》，旨在填补该空白。

关键技术方法上，研究人员采用20只标称305 Ah（实测均值316.1 Ah）、3.2 V方形LFP电芯，初始均调至100%荷电状态（SOC）。10只作OH组：双侧加热板各390 W；10只作OC组：20 A恒流充至40 V上限，均由持续点火器引燃泄放气体。实验在3 m×3 m集烟罩（排量1.6 m³ s^?1）下按ISO 9705-1校准，同步测O₂/CO/CO₂（顺磁与NDIR）、光衰减（烟密度）、K型热电偶表面/气体温度、平板温度计（PT）绝热表面温度、Hukseflux热流计（HFM）热通量、S型皮托管动压、载荷秤质量损失；产热速率由氧耗量热（OCC）与CO₂生成法（CDG）双算；材料端用ATR-FTIR、XRD、ICP-OES确证石墨负极/LFP正极与LiPF₆电解液，并拆秤各组分估理论可燃能。

研究结果部分，按原文小节浓缩如下。材料组成与能量估算（3.1）：XRD与ICP-OES确认阳极石墨、阴极LFP、电解液LiPF₆（1–1.5 mol L^?1）；拆秤得电芯总重5567 g，可燃组分（电解液3.1%、聚合物4.2%以PP等效、PVDF黏结剂估2%）理论可燃能约2.53 MJ/电芯，为后续实验释热比较提供基准。视觉观察（3.2）：OH组泄压阀约129 °C开，先射流火约10 s衰减，再持燃，TR期约1 min强射流火并喷出熔融金属/塑料粒；OC组泄压阀约44 °C开，以液态电解液喷溅引燃为主，TR前火焰渐升，TR强度/时长与OH相近，两种滥用均终燃外壳聚合物绝缘层，OC早期低压低温喷液提示电化学产气驱替电解液。温度与电压演化（3.3）：OH中电压随SEI分解与负极-电解液副反应渐降，TR伴电压崩塌与内短路；OC中电压先升后现平台/峰值微降，对应析锂、电解液分解与漏电通道形成，最终过压尖峰后崩落进入TR。安全泄压时序（3.4）：OH平均46 min泄压（129 °C），OC平均103 min泄压（44 °C），证明触发机制不同导致泄压阈值与内部压力建立路径分化。产热与质量损失（3.5–3.6）：OH泄压峰HRR达284 kW，OC峰值较低；总释热两组均7–8 MJ（占理论可燃能~3倍差值源于部分无机参与/未燃尽）；总质量损失均约21%。烟气与气体（3.7）：OH泄压段烟生成速率峰值1.3 m² s^?1显著高于OC；CO/CO₂产额随滥用与阶段变，有效燃烧热非常量。热通量与火焰（3.8–3.9）：OH射流火更冲，HFM在30 cm处录得更高瞬时热通量；OC火焰先低后升，Jet fire倾斜度不同致后程传感器移至40 cm。事后解剖（3.10）：两组极片膨胀、铝箔变形、泄压阀熔化形态相似，印证TR终态损伤可比。能量平衡（3.11）：实验THR 7–8 MJ vs 理论可燃能2.53 MJ，差值归为量热系统捕集误差、部分碳未完全氧化及壳体金属氧化放热等，不推定量分配。

讨论与结论翻译：研究人员指出，大容量LFP电芯虽化学稳定，一旦TR触发，火灾危险（射流火、烟毒、喷液引燃邻格）仍显著；OH与OC两类滥用在泄压时刻、表面温度、释放物相态（气vs液）、峰值HRR与烟率上系统分歧，但TR峰值温度、总质损、总释热与终态解剖具跨方法可比性。这说明电池火灾文献中常报的“有效燃烧热”“比质量释热”等指标不可脱离滥用方式与失效阶段单独比较；工程防火设计场景若仅用单侧OH数据会高估烟热峰值、低估喷液二次引燃风险。结论强调：解读电池火灾实验与设定BESS设计火灾场景时，必须同时声明滥用路径与所取失效阶段，否则跨研究数据不可直推。该研究以10+10重复实验、双量热算法与全参数同步采集，为≥300 Ah级LFP电芯提供了首套可复用基准数据集。