评估多种复合抑尘剂在抑制煤岩混合粉尘方面的有效性

《Process Safety and Environmental Protection》：Evaluation of the effectiveness of various composite dust suppressants in suppressing coal–rock mixed dust

多预紧力下磷酸铁锂电池热失控多维度信号演化及预警策略研究。通过分析不同预紧力（0/3/6/9 kN）对314 Ah大容量LFP电池热失控触发阈值、危险程度及多信号耦合特性的影响，发现预紧力增加会提升温度阈值（0.35→0.67℃/s），但电压阈值稳定（0.005 V/s）。低（0/9 kN）或高预紧力会加剧热失控风险，而3 kN时风险最小。最大排气速度达36.33 m/s，压力713 Pa，显著高于3/6 kN条件。研究揭示了温度、电压、膨胀力多信号耦合演化规律，建立了分层预警模型，为储能系统安全设计提供理论支撑。

　　

王春林|杨俊杰|于孔豪|张嘉丽|王俊玲|黄亚俊|王志荣|王正阳|蔡伟

中国南京工业大学安全科学与工程学院危险化学品安全与控制江苏省重点实验室，南京211816

摘要

在大型储能系统中，大容量LiFePO₄（LFP）电池通常在预加载力的作用下组装成电池组。然而，预加载力对LFP电池的早期预警和热失控（TR）行为的影响尚不清楚。为此，我们对不同预加载力下LFP电池的早期多维信号演变和TR行为进行了全过程分析。随着预加载力的增加，温度阈值从0.35 ℃/s增加到0.67 ℃/s，而电压阈值保持在0.005 V/s不变。在0 kN和9 kN的预加载力下，每个信号达到阈值到TR的时间间隔比3 kN和6 kN时更短。在TR特性方面，0 kN和9 kN下的最大排气速度（32.76 m/s和36.33 m/s）和压力（684 Pa和713 Pa）显著高于3 kN（26.42 m/s和593 Pa）和6 kN（29.33 m/s和612 Pa）。TR阶段释放的热量在0 kN时达到459.1 kJ，而在3 kN时释放的热量最低（335.9 kJ）。同时，评估了不同预加载力下的TR风险。结果表明，3 kN下的TR风险最小。过低的或过高的预加载力都会加剧电池的TR风险。本研究为电池的早期预警策略的发展提供了启示。

引言

锂离子电池（LIBs）由于其高能量密度和长循环寿命，已成为电动汽车和大型储能系统的核心储能组件（Wang等人，2019年；Lyu等人，2020年）。然而，与TR相关的安全问题（Feng等人，2018年）严重限制了它们的进一步应用。TR通常由内部短路（Huang等人，2021年）、过热（Jiang等人，2022年）或机械滥用（Liu等人，2020年）触发，并伴随着强烈的放热反应，可能导致火灾或爆炸。尽管LiFePO₄（LFP）电池因其固有的热稳定性而被认为相对安全，但随着能量密度的不断增加和大规模部署，与之相关的潜在风险不容忽视。现有研究主要集中在电池单体或模块级别的TR反应机制及其热传播行为上（Feng等人，2019年；Jin等人，2022年）。相比之下，对于与组装相关的参数（特别是应用于电池模块的预加载力）的影响关注较少。先前的研究表明，预加载力可以通过改变内部接触电阻、气体生成速率和电池内部的机械应力分布来显著影响TR过程，从而影响安全阀的开启压力和随后的故障行为（Jia等人，2022年）。然而，大多数现有的TR模型缺乏包含预加载效应的系统耦合分析。此外，相关的实验研究主要集中在小容量电池上，大容量电池（例如314 Ah）的TR特性尚未得到充分探索。

在储能系统中，电池模块通常受到预加载力的作用，以保持结构完整性并确保电极之间的充分接触。现有实验表明，施加的预加载力可以显著影响锂离子电池的内部反应动力学。在之前的LFP电池研究中，预加载力主要作为操作约束引入，以抑制TR过程中的过度膨胀，但其定量效应尚未得到系统分析。

近年来，越来越多的研究关注预加载力对电池性能和安全行为的影响。Chen等人（Chen等人，2025a）系统研究了预加载力对棱柱形LiFePO₄电池的安全阀开启特性和TR行为的影响，并建立了一个结合气体生成和结构力学的耦合模型。他们的结果表明，预加载力水平可以显著改变电池内部压力的演变和阀开启特性。Liu等人（Liu等人，2024年）使用加速率量热计（ARC）研究了大容量LFP电池的气体释放和热量生成，揭示了热量生成与气体演变之间的强相关性，并从内部压力的角度证明了TR早期预警的可行性。Cheng等人（Cheng等人，2025年）使用定制的传感器和修改后的电池盖监测了棱柱形电池内部压力的演变行为，并提出了压力对温度的二阶导数（d²P/dT²）以及压力与温度之间的相对变化比率作为早期预警指标，为本研究选择预警参数提供了重要指导。Lv等人（Lv等人，2023年）研究了在热滥用和过放电条件下LFP软包电池的膨胀力演变。他们的结果表明，膨胀力信号可以在温度明显升高之前响应电池的异常状态，凸显了其作为TR早期预警参数的潜力。Zhou等人（Zhou等人，2023年）从温度主导的角度分析了滥用条件下的TR触发和演变过程，并阐明了不同反应阶段的热特性。然而，他们的工作主要集中在TR的发生和发生后阶段，没有考虑预失控阶段的多维信号演变或模块级预加载力的影响。Lin等人（Lin等人，2024年）实验研究了锂离子电池在TR过程中的热机械响应，发现预加载力的变化可以显著影响循环寿命和热量生成行为，强调了预加载效应对TR特性的实际相关性。Cui等人（Cui等人，2024年）研究了预加载力对LiFePO₄电池模块关键参数响应的影响，揭示了机械约束在TRP中的作用。尽管如此，他们的研究主要集中在TRP后的传播行为上，对预失控特征和早期预警问题的讨论有限。Li等人（Li等人，2025年）提出了一种基于电压演变和红外温度场特征同步分析的多参数早期预警方法，显著延长了预警时间。然而，这种方法主要是针对电滥用条件下的单个电池开发的，没有考虑实际模块组装中遇到的机械预加载约束，其在大容量电池受限边界条件下的适用性仍有待验证。Li等人（Li等人，2024a）进一步研究表明，多源特征信号可用于表征锂离子电池中TR风险的演变，为早期预警策略的开发提供了有价值的见解。然而，这些特征在储能模块中常见的预加载约束条件下的适用性需要进一步研究。Gao等人（Gao等人，2025年）探索了基于多特征信号的TR早期预警方法，并验证了非温度基指标的可行性。然而，在实际模块条件下，这些指标的适用性和演变模式尚未得到系统研究。Yang等人（Yang等人，2025年）基于TR过程中的特征信号进行了风险识别研究，为评估本研究中采用的预警参数的有效性提供了重要参考。

总之，现有研究主要集中在TR过程中单个或多个特征信号的演变上，而大多数分析仍停留在独立层面。多维信号的系统性耦合及其在TR早期预警中的应用尚未得到充分探索。此外，当前的实验研究主要集中在小容量电池上。针对大容量（>300 Ah）LFP或NCM电池在预加载约束下的TR特性和早期预警问题的研究仍然很少。特别是，不同预加载条件下多维信号（包括温度、电压和膨胀力）的耦合演变及其在TR早期预警中的作用缺乏系统研究。因此，本研究以314 Ah的大容量LFP电池为研究对象，系统研究了预加载力对TR过程的影响，并探讨了多维信号耦合在早期预警中的作用。设计了不同预加载条件下的热滥用实验，并结合了膨胀力、温度和电压信号的动态监测。在此基础上，提出了一种基于温度-电压-膨胀力信号耦合的早期分层预警策略，并详细分析了预加载力对电池TR特性的影响。本研究不仅为储能系统中大容量锂离子电池的安全设计和运行提供了理论基础，还为基于多维信号耦合的主动安全保护技术的发展建立了实验基础。本研究的主要贡献如下：

(1) 全面研究了预加载力对电池安全性能的影响，为TR早期预警提供了新的见解；

(2) 揭示了不同预加载条件下多维信号的集成演变特性及其耦合行为；

(3) 定量确定了TR过程中膨胀力、电压和温度的安全阈值，为预警策略的制定提供了宝贵指导；

(4) 澄清了预加载力对大容量LFP电池TR行为的影响，为储能系统和动力电池模块应用中的预加载选择提供了实际参考；

(5) 进行了从早期预警阶段到电池TR后行为的完整过程分析。

部分摘录

电池参数

本研究使用314 Ah电池，正极为LiFePO₄，负极为石墨。物理参数如表1所示。使用NEWARE CE-6008n-20V200A-H设备进行电池的充放电循环。具体的充放电条件如下：首先，电池以90 A的电流放电，直到截止电压达到2.5 V。然后，采用恒电流-恒电压（CC-CV）模式进行3次充放电循环，直到电池达到

温度

图2显示了不同预加载力下电池的温度及其变化率。阶段I和II代表实验过程中的两个阶段。具体来说，阶段I是从加热开始到阀门开启，阶段II是从阀门开启到剧烈排气。在阶段I中，随着加热板的加热，电池各位置的温度开始缓慢上升。电池大表面的热量散发被云母板阻挡。然后，T_s略有

结论

本研究详细分析了不同预加载力下大容量LFP电池的早期多维信号演变以及TR过程中各种阈值参数的变化。就研究结果的有效性而言，所有核心结论都通过三次重复实验得到了验证。关键指标的标准偏差和仪器误差对结果的影响很小——远小于工作之间的差异

CRediT作者贡献声明

王志荣：监督、资源获取、资金筹集。蔡伟：可视化、正式分析。王正阳：方法论、调查。于孔豪：调查、概念化。杨俊杰：软件、数据管理。黄亚俊：项目管理、正式分析。张嘉丽：可视化、软件。王春林：写作——审阅与编辑、初稿撰写、资源提供。王俊玲：写作——审阅与编辑、监督、方法论。

利益冲突声明

不存在利益冲突。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2023YFC30099000）、国家自然科学基金（52104197、52272396、52474233）、江苏省高等学校自然科学基金重大基础研究项目（2020240521）以及国家火灾科学重点实验室开放基金（SKLFS）计划（HZ2025-KF03）的支持。