HAWKER蓄电池不同容量与荷电状态下的磷酸铁锂电池热失控行为：特性对比与安全评估
近年来，锂离子电池（LIBs）的需求显著增长，特别是在电动汽车（EVs）和储能系统（ESS）领域[[1], [2], [3], [4]]。得益于其高能量密度、优异循环寿命和低自放电率等特性，LIBs在各行业得到广泛应用[[5], [6], [7], [8]]。然而随着LIBs容量与规模的扩大，其安全问题日益凸显。由热失控（TR）引发的频繁火灾与爆炸事故已成为全球关注焦点[[9], [10], [11], [12], [13]]。热失控（TR）是一种剧烈的化学现象，由电池内部一系列放热反应触发，导致温度和压力急剧上升，最终可能引发气体喷射、火灾或爆炸[[14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23]]。
热失控（TR）通常由电池在异常条件下（如热滥用、电滥用或机械滥用）内部发生的放热反应所引发[[24], [25], [26], [27], [28]]。这些反应包括固体电解质界面（SEI）膜的分解、电极与电解液之间的反应以及电解液的降解。具体而言，当温度达到约90–120°C时，负极表面的SEI膜开始分解。一旦SEI层被破坏且温度超过120°C，负极将失去保护屏障，导致嵌入的锂与电解液发生反应。随着温度持续升高，隔膜开始熔化，正极与电解液发生反应，同时伴随电解液自身的热分解。此阶段隔膜破裂，引发电极间内部短路并触发热失控（TR）。随后，阳极与粘结剂发生反应，引发电解液燃烧并导致电池发生热失控[[29], [30], [31], [32]]。Zhang等[33]对不同荷电状态(SOC)的钴酸锂电池进行了热失控测试，结果表明SOC值越大，热失控现象越剧烈。Ahmed等[34]针对电池开展了短路测试，实验数据表明短路现象与热失控过程中的产热特性均与穿刺材料性质密切相关。电阻越小，内部短路越严重，产热量越大，表明内部短路电阻对热失控严重程度具有显著影响。Huang等[35]对相同容量的方形和软包锂离子电池进行了过充热失控测试。研究发现电压与温度变化可明显划分为五个阶段。随着过充程度加剧，电池表面温差增大，局部过热现象更为显著。Huang等[35]同样观察到，棱柱形锂离子电池比软包电池更早发生膨胀和形变。Wang等[36]研究了不同正极材料电池的热失控（TR）动作特性。在相同过充条件下，磷酸铁锂（LFP）电池比镍钴锰（NCM）电池更早触发TR，且过充容量更小。然而LFP电池的TR程度较为温和，而NCM电池则倾向于起火爆炸。Guo等[37]发现随着荷电状态（SOC）升高，钴酸锂（LiCoO2阴极温度下降，远低于原始范围（170-220°C）。Qi等[38]也观测到类似特征。Liu等[39]采用加热扳机方法研究了243Ah磷酸铁锂电池在不同荷电状态下的热失控燃烧行为，发现当荷电状态从0%升至100%时，喷射火焰持续时间、高度及稳定燃烧火焰均呈增长趋势。Peng等[40]对68Ah磷酸铁锂电池在不同荷电状态下的燃烧放热率进行了归一化处理。研究表明，在100%和50%荷电状态下，磷酸铁锂电池的放热率与燃料费及PMMA材料基本一致。Li等[41]探究了荷电状态对三元电池模组热失控传播的影响，结果表明随着荷电状态降低，热失控传播时间延长，这意味着低荷电状态电池需要更多热量才能触发热失控传播。
总体而言，虽然电池热失控（TR）机制日益明晰，但既有研究主要针对不同荷电状态（SOC）电池的热失控现象。表1汇总了多项关于方形磷酸铁锂（LFP）电池的研究。针对不同容量电池的热失控特征比较研究仍显不足。值得注意的是，不同容量与SOC电池在过热滥用条件下会引发各异的热失控行为，这对风险管控构成重大挑战。因此，亟需系统研究并理解不同容量与SOC电池在过热条件下的耦合作用所表现出的热失控行为及特征。
本研究系统评估了不同容量电池在不同荷电状态(SOC)下外加热场景中的热失控(TR)行为与特征。通过量化热失控过程中的表面温度、电压、扩展包作用力、质量损失及燃料费释放量，发现高容量电池(50Ah)因加热持续时间更长，促使电池内部反应更充分，从而产生更高的最大表面温度、燃料费生成量、产热量及质量损失。32Ah-100%SOC电池风险最高，因其能在最短时间内达到峰值温度；而50Ah-100%SOC电池表面温度最高且热失控危害性最大。这是由于高容量电池需破坏更多P-O键并释放更多氧2且热量。总体而言，32Ah-100%SOC电池的热失控风险最高，但50Ah-100%SOC电池的危害性整体更为严重。
本研究对不同容量和荷电状态（SOC）的磷酸铁锂电池进行了对比研究，以深化分析不同应用场景下的热失控（TR）风险与危害。该工作进一步阐明了不同容量电池在热滥用条件下的TR特性。此外，研究结果可外推至其他容量电池，为实际应用提供参考。最后，通过雷达图对比了两种容量电池的关键TR特征点，为其他类型电池的安全性评估提供了参考框架。
