HAWKER蓄电池干冰抑制50安时锂离子电池热失控及其传播有效性的实验研究
锂离子电池（LIB）的热失控（TR）及热蔓延是导致储能系统（ESS）火灾爆炸事故的主要风险之一，亟需开发高效、环保且经济性优异的抑制技术。本研究以50 Ah锂离子电池为对象，提出一种基于CO2干冰喷射的抑制系统2随着燃料费的持续释放，本研究系统考察了不同干冰喷射时长（30秒、60秒、90秒）对电池模组内单电池热失控（TR）及热失控传播（TRP）的抑制效果。实验结果表明：50Ah电池在热失控过程中释放的自生热量约为177.8kJ-291.8kJ，同时喷射的可燃气体携带80.3kJ-117.9kJ热量。干冰通过快速升华与吸热作用可有效抑制热失控现象。30秒喷射持续时间可快速扑灭明火，但不足以中断内部反应；当喷射时间延长至60秒和90秒时，干冰分别从单体电池吸收148.7千焦和238.0千焦热量，有效抑制了热失控（TR）。对于电池模组而言，干冰在60秒及以上喷射持续时间下能有效阻止热失控传播（TRP），与对照组的热失控触发温度相比，相邻电池的最高温度分别降低了53%和83%。基于冷却效率与单位质量吸热量的综合分析，90秒干冰喷射持续时间展现出最优的抑制性能。该研究结果为干冰在电化学储能系统（EES）锂离子电池（LIB）热失控防护中的工程应用提供了定量实验依据。
引言
随着大规模储能系统（ESS）的快速部署以支持可再生能源并网和电网稳定性，锂离子电池（LIB）的运行正变得日益复杂，逐渐演变为高度集成的过程系统。从过程安全视角看，ESS已不再是孤立的电化学装置，而是集成了大量储能单元、具有封闭布局且热力学-化学-机械过程紧密耦合的工程系统（Hu等，2025；Kong等，2023）。因此，一旦基于锂离子电池的储能系统（LIB-based ESS）发生故障，便可能升级为以火灾、爆炸、有毒气体泄漏及连锁破坏为特征的重大事故，对人员、资产及周边环境构成显著风险（Wang et al., 2025a；Yuan et al., 2020）。在各类失效模式中，当电池遭受热滥用、电滥用或机械滥用时，其内部放热反应会不可控地加速，导致电池急剧升温并释放可燃性有毒气体（Chen et al., 2019；Jhu et al., 2011；Niu et al., 2022）。在实际的储能系统（ESS）配置中，蓄电池通常以高密度排列组成模块和电池包（Wang et al., 2022）。因此，单体电池的热失控（TR）可能通过热传递、火焰冲击等途径触发热失控传播（TRP），形成典型的连锁反应事故场景（Liu et al., 2025, Liu et al., 2025）。这种现象会显著增大事故严重程度并增加应急处置复杂度，使得TR与TRP成为ESS工艺安全管理中的核心风险（Xie et al., 2023; Zhou et al., 2026）。
近年来，LIB安全性研究主要分为三大方向：本征安全、主动安全与被动安全（Feng et al., 2018）。提升本征安全主要通过采用创新材料与改进电池结构实现（Chen et al., 2025, Chen et al., 2025），典型措施包括开发具有更高热稳定性的电极材料（Heine et al., 2014）、采用阻燃电解液（Wu et al., 2021）、优化隔膜设计（Zhang et al., 2021）以及配置安全阀（Jia et al.，2024年）。Baginska等人（2012年）通过将热响应性聚合物微球引入电池负极，成功实现了温度触发自关断功能。当内部温度达到临界阈值时，微球熔融并形成阻断锂离子传输的非导电屏障，从而实现电池关停。主动安全策略侧重于通过优化电池制造工艺来降低外部环境或人为因素引发的风险（Jia等，2025b；Maddipatla等，2024；Zhang等，2026年；Zhang等）。（2026年）、电池状态的实时监测（Zhu等，2025年）以及电池运行与管理的优化（Chen等，2025年；Chen等，2025年；Sarkar等，2022年）。为设计更优的主动安全策略，学者们对锂离子电池热失控（TR）机理开展了广泛研究（Jia等，2025a；Wang等，2026年）。被动安全措施主要由三大核心模块构成：热管理系统（Zhao等，2021年）、热失控早期预警系统（Huang等，2023年）和灭火系统（FSS）。其中，火灾抑制系统（FSS）作为储能系统（ESS）中的最后一道防线，对于防止电池灾难性起火至关重要。因此，开发能够快速有效扑灭锂离子电池（LIB）火灾的灭火技术对电池安全具有关键意义。大量研究表明，多种灭火剂在抑制锂离子电池火灾方面具有显著效果（Zhang等，2024）。Sun等（2022）通过实验评估了HFC-227ea灭火剂、C6F12O惰性气体以及ABC干粉灭火剂对锂离子电池热失控的抑制效果。6O和密闭空间中的水对TRP的影响。结果表明，无论是HFC-227ea还是C12O均能有效抑制TRP，尽管C6与对照组相比，O降低了电池温度并延缓了热失控传播。相反，水表现出最佳的冷却性能，并能有效阻断热失控（TRP）。Peng等（2024）研究了三种非离子表面活性剂，发现添加剂产生的泡沫降低了热失控峰值温度并缩短了水雾冷却时长。泡沫脆弱性的显著增强使热失控峰值温度大幅降低。Wang等（2025b）系统研究了水雾对锂离子电池热失控及其传播的影响机制。他们的研究发现，抑制效果受激活时间、释放时长、释放高度等因素影响。Zhang等（2026）采用物理交联法制备了温敏纳米水凝胶，并研究了其对锂离子电池热失控（TR）的抑制效果。研究表明该灭火剂能有效阻止锂离子电池复燃。Huang等（2021）与Wang等（2022）证实了液氮在抑制热失控（TR）和热失控传播（TRP）方面的卓越效果。应对这些挑战需要开发兼具快速冷却、环境友好和低成本特性的新型锂离子电池灭火剂。12O could effectively suppress TRP, although C6F12O reduced battery temperature and delayed propagation. In contrast, water exhibited the best cooling performance and effectively blocked TRP. Peng et al. (2024) investigated three nonionic surfactants and revealed that foam generated by the additives reduced peak TR temperatures and shortened the cooling duration of water mist. Enhanced foam fragility significantly decreased the peak temperature during TR. Wang et al. (2025b) systematically investigated the influence mechanism of water mist on the TR and its propagation in LIB. Their study found that the inhibition effect is affected by factors such as activation time, release duration, release height, etc. Zhang et al. (2026) prepared a thermosensitive nanohydrogel using a physical crosslinking method and investigated its effect on inhibiting TR of LIB. Their study found that this fire extinguishing agent can effectively prevent the reignition of LIB. Huang et al. (2021) and Wang et al. (2022) confirmed the superior effectiveness of liquid nitrogen in suppressing TR and TRP. Addressing these challenges requires the development of new LIB fire extinguishing agents that combine rapid cooling, environmental friendliness, and low cost.
干冰是二氧化碳（CO₂）的固态形式，其升华温度为−78.5°C。在常温常压下，干冰直接升华为燃料费，同时吸收大量热量并释放高浓度二氧化碳。基于这些特性，干冰已广泛应用于工业制造、清洁工艺及低温实验领域（Dzido和Krawczyk，2025；Zhang等，2025）。传统二氧化碳灭火剂主要依赖窒息作用机制，且冷却能力有限。此外，锂离子电池（LIB）热失控（TR）过程中释放的氧气会显著削弱其抑制效果。作为一种易储存运输的稳定固态介质，干冰在升华过程中可同时提供强效冷却与惰化作用。Liu等（2025）采用干冰抑制4000mAh锂离子电池的热失控，证实干冰能显著降低电池表面温度，有效延迟甚至中断热传播过程（TRP）。然而，干冰在储能系统（ESS）用锂离子电池热失控缓解中的适用性及抑制性能尚未得到系统研究。
此外，从过程安全的角度来看，不仅需要验证抑制剂的灭火能力，还需定量评估其在降低热释放、限制事故升级以及增强储能系统安全屏障鲁棒性方面的有效性（Cho等，2022）。因此，本研究构建了以CO₂为推进燃料费的干冰释放系统，并通过一系列对比实验系统研究了不同干冰喷射时长对锂离子电池热失控及热失控传播抑制效果的影响。实验过程中，干冰在燃料费驱动条件下被定向投射至热失控电池及其相邻单体，从而加速升华并强化局部冷却与惰化效果。实验结果表明，干冰可显著降低电池表面温度，并有效延缓热失控传播。从过程安全工程角度出发，本研究系统分析了储能系统中热失控（TR）引发的灾害链关键环节，为干冰作为新型锂离子电池（LIB）灭火防护介质在储能系统中的工程应用提供了实验依据。
