锂离子电池热失控过程中排气气体燃烧及污染物演化特性的数值研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Numerical study on the combustion and pollutant evolution characteristics of vent gases during thermal runaway of Li-ion batteries

　　

摘要

随着锂离子电池的大规模应用和能量密度的不断提高，理解其在热失控过程中的燃烧和污染物生成特性正变得越来越关键。本文建立了一个三维数值模型，该模型耦合了简化动力学机理和现象学烟尘模型，用于研究热失控过程中电池排气的气体扩散、燃烧及污染物演化过程。基于该模型的数值模拟，系统地分析了不同环境压力和顶棚高度下释热率和污染物的瞬态变化。结果表明，在较高的环境压力下，排气燃烧的链式反应过程得到促进，导致点火期后燃烧更为剧烈、释热速率更快、燃烧温度更高。同时，环境压力的增加还导致瞬时氮氧化物浓度升高和悬浮烟尘含量增大，表明在高压条件下瞬态累积效应增强。当增加顶棚时，燃烧空间受到限制，限制了环境空气的卷入并形成了富燃料环境。这会导致点火期后温度降低、放热过程减缓以及在剧烈燃烧阶段自由基消耗减少。同时，一氧化碳质量因少量烷烃被氧化为一氧化碳而减少，氮氧化物质量在剧烈燃烧期下降而在缓慢燃烧期上升。此外，在顶棚条件下悬浮烟尘含量仍然较高，反映出受限空间中烟尘累积趋势更强。这些发现为理解锂离子电池热失控条件下排气燃烧的动态过程和污染物生成机理提供了有价值的见解，从而有助于开发火灾缓解策略和应急响应技术，以降低储能系统的安全风险。

引言

随着环境保护和碳减排需求的增加，锂离子电池在储能和交通领域得到了更广泛的应用（Li 等人, 2024；Mohammed 等人, 2023；Tasneem 等人, 2025）。然而，在锂离子电池运行过程中，热滥用、电滥用和机械滥用可能会引发热失控，随后由于电池内部的副反应产生可燃气体（Chen 等人, 2025；Lammer 等人, 2018；Xu 等人, 2023）。如果热失控在初期不能被抑制，就会释放大量的可燃气体，可能导致严重的火灾隐患。此外，排气在燃烧过程中可能产生二次污染物（Wang 等人, 2025；Zhang 等人, 2019）。实验研究表明，锂离子电池热失控过程中释放的气体具有显著的火灾和污染危害。Ouyang 等人（Ouyang 等人, 2025c）比较了大型储能电池在过充、过热和机械滥用条件下的热失控特性，发现过充促进了二氧化碳、一氧化碳、氟化氢和总有机碳的更早和更大量的释放，导致毒性和可燃性危害增加；此外，排气严重程度和气体/烟雾温度也随电池容量增加而升高。从更广泛的视角来看，Ouyang 等人（Ouyang 等人, 2025a）综述了具有常见正极化学体系的锂离子电池热失控过程中排放的气体产物；据报告，排气主要由一氧化碳、二氧化碳、氢气和碳氢化合物组成，同时可能还会产生氟化氢、氮氧化物、硫氧化物和挥发性有机化合物等有害物质。这些发现突显了系统阐明电池排气燃烧行为及相关污染物的生成和演化的必要性。

除了实验研究外，一些数值研究也探讨了锂离子电池排气的火灾行为和燃烧特性。Kim 等人（Kim 等人, 2021）建立了一个二维数值模型来模拟18650 NCA锂离子电池的排气和燃烧过程；基于模拟结果，分析了排气的温度、压力和产热率的演化。Kong 等人（Kong 等人, 2022）开发了一个考虑流体-固体耦合传热过程的二维数值模型，用于预测18650 NCA锂离子电池的电芯温度和火灾行为；根据模拟结果分析了电芯温度和火焰高度的演化。Wang 等人（Wang 等人, 2023a；Wang 等人, 2023c）建立了磷酸铁锂方形电池热失控过程中传热、排气、燃烧和颗粒释放过程的三维数值模型，并利用该模型捕捉电池热失控过程中的火焰传播和颗粒扩散。Zhang 等人（Zhang 等人, 2023）提出了一个三维数值模型，用于模拟18650 NCM锂离子电池热失控过程中的产气、排气、燃烧和颗粒喷射，并发现考虑颗粒喷射有利于准确预测传热过程。Wu 等人（Wu 等人, 2025）建立了电池模块喷射火传播的三维数值模型，评估了热失控电芯位置对受限空间内温度的影响。Wang 等人（Wang 等人, 2023b）开发了一种耦合的半降阶模型，以捕捉储能系统中的火灾行为，并详细阐述了系统层面的热失控特性。在上述研究中，排气反应过程由一个或两个集总反应步骤描述，因此无法详细阐明中间产物和气态污染物的演化过程。Cellier 等人（Cellier 等人, 2023）开发了一个耦合简化化学机理的三维数值模型来重现电池排气的射流演化和燃烧过程，但未系统分析气体污染物的生成和扩散过程，也未考虑颗粒物污染。尽管Wang 等人（Wang 等人, 2024）的数值研究中分析了一氧化碳和颗粒物的生成与扩散，但未涉及电池喷射火的评估以及详细的化学动力学。

此外，锂离子电池的运行条件会经历显著的压力变化，因此有必要探索环境压力对锂离子电池热失控过程中排气火灾行为和污染物扩散特性的影响。关于环境压力的影响，Fu 等人（Fu 等人, 2018）和Wang 等人（Wang 等人, 2020）通过实验研究了18650圆柱形锂离子电池热失控过程中的火灾演化以及表面温度和喷射火温度，但未详细阐述中间产物的分布和污染物的扩散。Wang 等人（Wang 等人, 2024）基于数值模拟研究了环境压力对电池储能集装箱中火灾行为的影响，但受数值模型限制，未考虑电池热失控过程中产生气体的详细反应机理、排气和火灾演化。此外，当锂离子电池用于新能源汽车和储能电站时，电池上方的空间通常被顶棚封闭。顶棚与电池顶面之间的距离对火灾行为和污染物生成有显著影响。Ouyang 等人（Ouyang 等人, 2025b）通过实验研究了受限隧道环境中带有拱形顶棚和扁平顶棚的锂离子电池模块的热失控传播。结果表明，热失控可产生不同的烟雾释放和燃烧阶段，烟雾首先撞击顶棚，随后沿顶棚扩散。更高的模块荷电状态会导致更严重的喷射、燃烧和更大的烟雾释放。此外，顶棚几何形状显著影响烟雾运动；较低的扁平顶棚配置产生的最高温度更高且达到温度峰值的时间更短。因此，有必要研究顶棚高度对火灾行为和污染物生成的影响。Wang 等人（Wang 等人, 2023c）通过数值模拟研究了顶棚高度对NCM电池火焰演化的影响，但未考虑排气和燃烧过程中的污染物演化。Zhu 和Tang（Zhu 和Tang, 2024）通过实验研究了荷电状态对火灾行为、不同位置顶棚温度和CO浓度的影响，但未考虑顶棚距离以及其他污染物如氮氧化物和烟尘的影响。

总体而言，现有研究主要采用简化的燃烧模型关注锂离子电池的热失控火灾行为，而排气的详细化学演化和气态及颗粒物污染物的生成仍未得到探索。特别是，环境压力和顶棚限制对排气燃烧、污染物生成和瞬态扩散耦合过程的影响尚未得到系统研究。因此，需要一种基于详细化学动力学的数值框架来阐明在不同环境压力和顶棚高度下电池排气的火灾行为和污染物演化。

为弥补这些研究空白，本文建立了一个耦合简化动力学机理和现象学烟尘模型的三维数值模型，用于研究热失控过程中电池排气的扩散、燃烧和污染物演化过程。基于该三维模型，通过温度曲线、释热率曲线、自由基曲线和污染物曲线，系统分析了不同环境压力和顶棚高度下释热率和污染物的瞬态变化。此外，通过对温度和自由基的化学动力学敏感性分析，阐明了环境压力对化学反应过程的影响。本文为锂离子电池热失控过程中排气燃烧行为和污染物生成机理提供了有价值的见解，从而为储能系统中的火灾缓解和应急响应技术提供机理层面的参考。本文的主要创新点总结如下：

（1）开发了一种耦合简化化学动力学和现象学烟尘模型的三维数值模型，用于预测锂离子电池排气燃烧以及污染物的生成和扩散特性。

（2）对比评估了环境压力和顶棚高度对排气燃烧和区域内污染物瞬态演化的影响。

（3）通过对温度、释热率和自由基物种的时间分辨分析，研究了热失控排气过程中释热和污染物生成的耦合机理。

章节摘要

实验部分

在本研究中，建立了一套电池热失控测试台架，对圆柱形锂离子电池（LG INR21700）进行了热失控实验。电池参数见表1。实验前使用充至100%荷电状态的新电池。充电过程遵循恒流-恒压协议，在恒流阶段以1C倍率充电，直至达到4.2V截止电压上限，随后……

环境压力的影响

环境压力对锂离子电池热失控过程中排气最高温度和释热率曲线的影响如图6所示。如图所示，锂离子电池热失控过程中排气的演化可分为五个阶段。第一阶段（P1）为排气扩散过程；在此阶段，排气从安全阀扩散到锂离子电池周围环境中，形成可燃的排气/空气混合物；

结论

本文通过三维数值模拟研究了热失控过程中电池排气的扩散、燃烧和污染物演化过程。主要贡献和结论如下：

（1）通过耦合简化动力学机理和Gokul现象学烟尘模型，开发了一种用于模拟电池热失控过程中排气燃烧及污染物演化的三维数值模型。在该模型下，可以合理地重现……

作者贡献声明

Rao Zhonghao：写作——审阅与编辑、监督、调查研究、形式化分析。He Chao：写作——审阅与编辑。Zhang Qiang：写作——审阅与编辑、监督、调查研究、形式化分析。Lyu Peizhao：方法论、形式化分析。Wang Yunfei：写作——审阅与编辑。Zhao Weihua：软件、调查研究。Zhu Sichen：写作——初稿撰写、调查研究。An Zhenhua：写作——审阅与编辑、可视化。Li Menghan：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系。

李孟涵报告获得天津市科技局的财务支持。吕沛昭报告获得中国国家自然科学基金的财务支持。报告存在关系，包括：。有待授权专利。如果有其他作者，他们声明没有已知的竞争性经济利益或致谢本工作得到国家自然科学基金（编号：52506080）和天津市自然科学基金（编号：23JCZDJC00490）的支持。李孟涵 | 安振华 | 赵卫华 | 朱思辰 | 吕沛昭 | 王云飞 | 何超 | 张强 | 饶中浩