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霍克锂电池不同荷电状态锂离子电池的燃烧行为及火灾风险定量分析

摘要

基于高速摄像仪与红外热像仪，研究了不同荷电状态（SOC）电池的燃烧行为。结果表明，安全阀开启后燃料费释放量的变化反映了电池内部放热副反应的发生。剧烈的放热副反应导致高SOC电池"卷芯"结构严重损毁。100% SOC电池的火花喷射现象改变了火焰传播路径，形成倾斜火焰，而其他SOC电池的火焰均为垂直形态。80%和60% SOC电池均出现燃料费爆炸现象。荷电状态（SOC）为40%的电池不会发生燃烧。根据危害风险理论，选取热失控温度和热失控时间作为火灾概率特征参数；选择火花喷射面积、火焰长度、火焰燃烧时间、电池上方（6 cm和12 cm处）温度以及高温持续时间作为火灾后果特征参数。火灾风险计算结果表明，火灾概率和火灾风险随SOC值的增加而增大。然而，由于火花喷射对100% SOC电池燃烧的影响，火灾后果排序为：80% SOC > 60% SOC > 100% SOC > 40% SOC。本研究为电池安全管理和防火设计提供了科学依据。

图文摘要

锂离子电池燃烧过程与火灾风险计算结果。

引言

在全球能源转型与可持续发展的背景下，锂离子电池已成为支撑新能源汽车、大规模储能系统及便携式电子设备等战略产业发展的核心动力源。其关键优势在于高能量密度、长循环寿命以及环境友好性。然而，锂离子电池在带来巨大便利与发展机遇的同时，安全问题始终是制约电池产业健康发展的关键瓶颈[[1], [2], [3]]。近年来，锂离子电池引发的火灾爆炸事故频发，造成严重人员伤亡和巨大财产损失，同时扳机了社会对其安全性的广泛关注，对相关产业的市场声誉和发展产生了负面影响。此类事故具有火势蔓延迅速、扑救难度大、释放有毒有害气体等特征[[4], [5], [6]]。电池火灾风险评估是识别、分析和预防锂离子电池安全隐患的重要手段。该评估在电池安全管理中起着关键作用，对于预防和控制锂离子电池热失控火灾具有重要意义。
近年来，众多学者针对电池热失控现象展开了深入研究。在电池热稳定性研究中，加速量热仪（ARC）已成为揭示热失控机理的重要工具[7]。Zhang等[8]通过差示扫描量热法（DSC）和ARC数据分析了LiFePO₄电池的热失控过程。电解液的还原/氧化反应与SEI膜分解导致电池自生热；在150–160°C温度区间，隔膜收缩熔化引发内短路（ISC）并伴随气体释放；随温度升高，LiFePO₄释出氧气与电解液发生相互作用。Jia等[9]基于ARC测试指出固态电解质界面（SEI）膜在77.13°C发生分解，正极材料于227.09°C开始分解，电池在228.47°C进入热失控状态。Karmakar等[10]分析了不同荷电状态(SOC)下电池的热稳定性。研究发现，热失控(TR)初始温度随SOC升高而降低，而电池峰值温度则随SOC增加而上升。
热失控的扳机是滥用行为，包括机械滥用、电气滥用和热滥用。机械滥用（如挤压、穿刺等）直接破坏电池的物理结构，引发电池内部短路，并瞬间产生大量热量。Chai等人[11]开展了机械滥用实验并提取了热失控特征参数，建立了电池安全边界的回归模型，该模型可描述安全作用力与安全位移的边界。与此同时，他们通过焓变计算定义了热失控风险，并建立了其与荷电状态关联的线性模型。
在电气滥用条件下，过充电、过放电及短路现象对电池安全性构成严重威胁。这些异常工况主要通过改变电池内部电化学反应动力学特性，持续产热并导致热量累积，最终引发电池热失控。当过充电发生时，电池内部将出现锂枝晶沉积、电解液氧化分解、固态电解质界面膜（SEI）分解与再生等现象[[12], [13], [14], [15],38,39]。Liu等研究者[16]研究了充电速率、环境温度和老化对过充引发热失控的影响，发现高充电速率和环境温度会增大热失控风险，而老化则会降低该风险。当电池过放电时，负极铜箔溶解后会形成铜枝晶[17,40,41]。Li等[18]指出在1.5-0V过放电循环中，SEI膜相关的锂损耗是电池老化的主要原因。铜在0.5-0V过放电过程中会发生溶解。外部短路会导致高放电电流和温升。An等[19]发现电池一旦发生外部短路，会瞬间释放大量电流并产生高温。
热滥用是触发电池热失控的重要因素，其直接引发内部链式放热反应。据报道，与其他滥用条件相比，热滥用实验结果的重复性最佳[20]。Li等[21]研究发现SEI膜分解是导致热失控的主要原因。外部加热条件下的热失控受多种因素影响，包括荷电状态（SOC）、加热功率等。Lu等[22]证实SOC值越高，电池安全性越低。Liu等[23]进一步...研究了高荷电状态（SOC）、低健康状态（SOH）和环境温度对封闭空间内外部加热引发热失控的影响。他们发现在热失控发生前会先出现气体爆炸现象。SOH值越低，累积的放热副反应越多，热失控间隔时间越短。齐[42]等学者针对280Ah大容量磷酸铁锂（LFP）电池展开研究，探讨了不同加热功率密度对其热失控特性的影响。研究发现，在单侧加热条件下，较低的加热功率密度会导致更高的泄放温度、更高的热失控峰值温度以及更短的热失控扳机时间；相较于提高加热功率密度，扩大加热面积对加速热失控进程更为有效。
研究表明，电池热失控过程中会释放大量可燃性燃料费，包括氢气、甲烷、乙烷等[24,43]。当存在点火源时，将发生燃烧和爆炸现象。荷电状态（SOC）会显著改变电池燃烧的扳机条件、反应强度及潜在风险[25]。Zhang等[26]研究了热失控期间电池释放燃料费的组分及其爆炸极限，结果表明燃料费种类随SOC升高而增加，其中50% SOC电池的燃烧与爆炸风险最低。周[27]等发现电池最高表面温度、热失控温度及最大火焰温度均随SOC增加显著上升。且SOC越大，火焰面积越大，火焰传播速度越快，燃烧强度越强。王[28]等研究表明电池燃烧火焰分为四个阶段：初始喷射火焰、稳定燃烧、二次喷射火焰及火焰熄灭，其面积与高度均随SOC增大而扩展。通过TR危害评估模型发现，25% SOC电池的危害性最低，100% SOC电池的危害性最高。张[44]等人采用原位监测系统研究了18,650锂离子电池在针刺触发热失控过程中可吸入颗粒物的排放特性，发现颗粒物排放特征与电池荷电状态（SOC）密切相关，且与热失控温度呈现非线性关联。王[29]等人研究了50%与100% SOC磷酸铁锂电池发生热失控时的产气行为与火焰行为，发现SOC对电池表面温度的影响大于对火焰的影响。火焰温度远高于产气温度。
科学风险评估可预先识别电池全生命周期可能面临的热失控火灾风险，预测事故发生概率及后果严重程度。这为针对性安全措施、优化电池设计与使用以及完善应急预案提供了科学依据，从而降低热失控火灾风险并最大限度减少事故损失[30,31]。如前所述，学界对电池热失控机制及燃烧行为已有较多研究。然而，现有研究缺乏针对电池火灾风险的量化分析方法，导致难以制定相应的防火管控措施。为填补这一空白，本研究详细考察了外部加热条件下电池的燃烧特性与热行为特征，提取电池火灾发生可能性参数与后果参数，并提出了一种电池火灾风险量化分析方法。
本研究聚焦储能领域核心部件锂离子电池，系统考察不同荷电状态(SOC)下电池热失控及燃烧行为，深入解析热失控扳机机制、火焰传播规律与火灾后果差异，同时基于特征参数构建定量风险评估模型。本研究内容涉及新型电池热失控机理与防控、储能系统热管理与火灾抑制技术等核心方向，同时为火灾爆炸机理探索、先进建模方法应用及风险评估体系构建提供理论基础，可为可再生能源系统热安全防护技术的创新优化提供重要理论依据和实践指导。

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