霍克锂电池倒置与直立：放置方位如何影响过充棱柱形锂离子电池的热失控行为
锂离子电池通常采用直立或倒置安装方式，其摆放取向可能显著影响电池失效行为。本研究通过过充实验系统探究了电池取向对热失控现象的影响，全面分析了两类摆放条件下热失控过程中的多维信号（包括扩展包力、电压、温度及燃料费）。结果表明，倒置电池可能表现出比直立电池更差的安全性能。具体而言，在过充条件下，倒置电池在安全阀开启后表现出更严重的电解液泄漏现象，进而引发两大显著负面影响：（1）锂离子迁移路径的减少加剧了负极析锂，进一步促进锂枝晶的形成并可能导致隔膜穿刺；（2）析出的锂枝晶快速发生副反应产生大量热量，使电池温度升高并促进隔膜在过充过程中收缩。这些因素共同加速了内部短路的发生，从而提前触发热失控。在1/3C充电倍率下，安全阀开启30分钟后，倒置电池的内阻比直立电池高799.76%。此外，其内部短路与热失控发生的荷电状态（SOC）阈值分别比直立电池低5.07%和4.53%。总体而言，本研究为工程应用中采用电极与阀门分离设计的安全电池及电池组摆放方向提供了实用指导。
引言
在全球向低碳能源转型的背景下，储能技术作为解决可再生能源间歇性问题的关键方案受到了广泛关注[[1], [2], [3]]。在现有技术中，锂离子电池因其高能量密度和长循环寿命已成为储能领域的主导技术[[4], [5], [6], [7]]。然而在机械滥用、电滥用和热滥用等极端条件下，锂离子电池极易发生热失控（TR）现象[[8], [9], [10], [11], [12]]。此类故障会导致温度急剧上升与电压Drop，并可能升级为冒烟、起火或爆炸等严重危害，对人类安全与环境安全构成重大威胁[[13], [14], [15], [16], [17], [18]]。
目前，棱柱形、软包和圆柱形电池是锂离子电池的主要封装形式，在滥用条件下表现出不同的热失控行为（图1(a)）[19,20]。棱柱形和圆柱形电池采用带有安全阀的坚固金属外壳封装，当内部压力骤增时能快速释放燃料费[21]。相比之下，软包电池采用多性向复合铝塑膜作为外壳，缺乏安全阀等主动泄压机构，主要依靠壳体扩展包与破裂来消散热失控过程中的内部压力[22,23]。因此，集成安全阀可显著提升方形电池与圆柱电池的热失控安全性能[24]。此外，与圆柱电池相比，方形电池具有更高的结构强度、更大的能量存储容量以及更优异的热管理能力，这些优势使其在电动汽车和储能系统中的应用日益受到青睐[25]。
正极、负极和隔膜是锂离子电池的关键内部组件（图1(b)）。此外，电解液作为锂离子传输介质，促进界面反应并在负极表面形成稳定的固体电解质界面相（SEI）。热失控过程中，电解液内会发生多重副反应，导致产生大量气体[[26], [27], [28], [29]]。由于电池内部构成高度密闭空间（图1(c)），这些气体难以逸出。这些气体会在密闭环境中逐步积累，导致内部压力迅速升高。一旦压力超过安全阀的阈值，阀门将立即开启以释放积聚的气体并缓解内部压力（图1(d)）[30]。与此同时，在泄压过程中，由于内部压力升高，部分未反应的液态电解质（尤其是方形电池中的电解质）可能会随排放气体一同喷出[31]。研究表明，安全阀的开启主要由电解质蒸气驱动，其气体成分包含56.03%的电解质蒸气和43.97%的副反应生成气体[32]。针对不同封装形式的磷酸铁锂（LFP）电池的热滥用实验发现，H₂、C₂H₄、CO、CO₂以及挥发性有机化合物（VOCs）是热失控过程中的主要气态产物[33]。然而，专门针对安全阀本身的研究仍然有限。
当前关于电池安全阀的研究主要集中在两大方面：其在电池失效过程中的作用以及阀门设计的优化。关于安全阀的功能，Finegan等人[34]研究表明排气不足会带来重大安全风险，并证实增设第二排气口可有效防止壳体破裂。Ouyang等人[35]通过加热、加速量热仪（ARC）及过充滥用测试，探究了安全阀对锂离子电池热失控（TR）特性的影响，发现泄压阀可使热失控起始时间延迟约15%。此外，Ostanek等学者[36]开发了一种耦合热-产气/排气模型，用于模拟18650锂离子电池的热失控演变过程。研究结果表明，在热滥用条件下，气体积累会增大内部压力直至阀门开启，释放的气体可消散热量并降低电池温度。关于安全阀优化，Jia等[37]研究了不同安全阀对大型方形磷酸铁锂电池排气行为及热失控危害程度的影响。研究结果表明，椭圆形阀门能最大限度降低大型方形磷酸铁锂电池的热失控风险。此外，Hong等人[38]提出了一种创新设计，通过在安全阀附近设置试剂腔室，并采用易熔合金控制试剂释放时序。该设计显著延长了热失控（TR）传播时间并降低了泄放温度。Liu等人[39]研究了配置安全阀的电池在不同泄放压力下的热失控行为及相关风险，结果表明泄放压力为0.35 MPa的电池表现出最低的危险等级。
尽管已有研究对电池安全阀的特性进行了广泛探讨，但其方向依赖性性能却鲜有关注。例如，部分企业提出倒置（I）电池安装概念，这种配置可能带来诸如优化燃料费排放路径和提升空间利用率等优势。然而，电池朝向变化必然改变安全阀方向，而此类变化对热失控特性的影响仍缺乏深入研究。需要特别指出的是，在实际应用中，电池单体朝向常受整体空间布局与热管理系统设计的制约，这使得方向依赖性安全行为成为不可忽视的问题。本研究通过可控过充实验系统探究方形锂离子电池在不同朝向下的热失控行为，填补了这一知识空白。研究结果阐明了取向依赖性安全性能的内在机制，并建立了直立（U）与倒置构型的定量安全评估框架。这些发现为提升锂离子电池安全设计提供了关键指导，既提供了理论基础认知，也为更安全部署提供了实用工程解决方案。
