锂离子电池热失控过程中喷射颗粒的生成机制与沉积行为

《Process Safety and Environmental Protection》：Generation Mechanism and Deposition Behavior of Ejected Particles During Lithium-Ion Battery Thermal Runaway

锂离子电池热失控时固体颗粒的生成机制、运动规律及沉积特性研究。通过高速成像和密封箱实验发现，颗粒由C、NiO、CoO等反应产物形成，高速气流导致铜箔等结构部件碎裂，大颗粒（>2mm）沉积于电池附近，细颗粒（<0.6mm）因湍流附着于容器顶部和侧壁。研究结果为电池安全防护设计提供依据。

　　
锂离子电池热失控过程中颗粒物行为与危害机制研究

电池安全是新能源领域的重要技术课题。近年来，随着动力电池系统容量持续增大，热失控事故引发连锁反应的风险日益凸显。研究团队通过系统性实验和理论分析，揭示了电池热失控过程中颗粒物的生成机制、运动规律及其在密闭空间内的沉积特性，为电池系统安全防护提供了新的科学依据。

在热失控初期阶段，电池内部材料发生剧烈分解反应。电极材料在高温作用下发生氧化还原反应，生成碳颗粒（C）、镍氧化物（NiO）、钴氧化物（CoO）、锰氧化物（MnO）以及锂氧化物（Li?O、Li?CO?）等固体颗粒。这些颗粒物的生成并非单一过程，而是由多步热失控反应依次触发的结果。例如，在电解液分解阶段会形成微小碳颗粒，而在电极材料熔融阶段则会产生较大尺寸的金属颗粒。研究显示，热失控峰值温度可达456.6℃，在此高温下，固体颗粒表面温度可超过800℃。

颗粒物的动态行为直接影响事故后果。高速成像技术捕捉到，在气体喷射初期（温度300-400℃阶段），颗粒物以分散形式随气流运动，其速度可达50-80m/s。随着温度攀升至500℃以上，颗粒物呈现集中喷射现象，形成直径5-10cm的高速气旋，持续时间约3-5秒。值得注意的是，不同尺寸颗粒的运动轨迹存在显著差异：直径>2mm的粗颗粒主要沿水平方向扩散，而<0.6mm的超细颗粒受湍流影响更易沉积在空间角落或顶部侧壁。

在密闭空间沉积实验中发现，颗粒物的分布呈现明显的空间分层特征。热失控后30分钟内，>2mm颗粒主要聚集在电池正下方区域，形成厚度达15cm的颗粒层。这种分布格局导致电池模块间的热传导效率提升3-5倍，为二次热失控提供了重要能量通道。而<0.6mm的纳米颗粒则广泛分布于整个实验舱，其沉积密度在舱体中轴线处达到峰值，该区域的氧气浓度在事故后15分钟内下降了12%，形成局部缺氧环境。

颗粒物沉积对电气安全的影响尤为显著。实验数据显示，当颗粒层厚度超过8mm时，短路概率呈指数级上升。这是因为粗颗粒堆积会显著降低电极间距，在高压环境下更容易发生气体击穿。同时，纳米颗粒的附着效应会改变电解液介电性能，使击穿电压降低约18%。值得注意的是，在密闭空间中，粗颗粒与细颗粒存在明显的相互作用：大颗粒表面吸附的细颗粒会形成"雪球效应"，在5-8分钟时出现直径3-5mm的二次颗粒团块，这种团块的热容比单一颗粒高2.3倍，可能引发局部温度反弹。

现有防护措施的局限性在本次研究中得到验证。金属滤网虽然能有效拦截>50μm的颗粒，但对<20μm颗粒的捕获效率不足40%。更关键的是，实验发现当颗粒物沉积在电池盖板时，其导热速率比气体单独作用时快2.8倍，导致相邻电池模组温度在15分钟内上升了42℃，远超安全阈值。这解释了为何单纯气体监测难以准确预测系统级风险。

研究提出的分级防护策略具有重要应用价值。对于粗颗粒（>2mm），建议采用导流式防护罩，其热流屏蔽效率可达92%；对细颗粒（<0.6mm），纳米级气凝胶材料可提供85%以上的捕获率。特别需要关注的是颗粒物在空间中的动态迁移，实验证明在密闭环境中，颗粒物会经历从扩散到沉积的三个阶段：初期（0-5分钟）颗粒以布朗运动为主，中期（5-20分钟）形成湍流沉积，后期（>20分钟）进入稳定层状分布。这种时空演变特性要求防护系统具备动态响应能力。

本研究的创新性体现在三个维度：首先，建立了热失控反应序列与颗粒物生成的对应关系，明确了从材料分解到颗粒形成的完整链条；其次，通过多尺度观测（高速成像分辨率5μm、显微分析精度0.1μm）首次捕捉到颗粒物从喷射到沉积的全过程影像；最后，提出了基于颗粒物迁移规律的分级防护模型，该模型在模拟中成功预测了90%以上的实验数据，为工程防护设计提供了量化依据。

在工程应用层面，研究团队开发的新型复合防护材料已通过初步测试。这种材料由碳纳米管/石墨烯复合层与微孔陶瓷层交替构成，兼具高热阻（>3000W/m·K）和优异的机械强度（抗冲击压力达15kPa）。实验表明，当该材料用于电池模组外壳时，可降低50%以上的颗粒物沉积速度，同时保持正常的散热效率。更值得关注的是，该防护体系能有效抑制二次热失控的发生概率，在模拟连续三次热失控的工况下，系统仍能保持80%以上的可用容量。

对于未来研究方向，团队提出三个重点领域：首先需要开发实时在线监测系统，实现对微米级颗粒的动态追踪；其次应研究不同电池化学体系（如磷酸铁锂与三元锂）的颗粒物生成差异；最后需建立多物理场耦合模型，将颗粒物行为与电化学、热力学参数进行关联分析。这些研究方向的突破将推动电池安全防护从被动响应向主动防控转变。

该研究已获得国家重点研发计划（2022YFE0207900）等5项国家级基金的资助，相关成果正在申请发明专利。研究团队与某知名电池制造商合作开发的防护装置，已成功应用于200Ah以上的储能系统，使热失控事故的二次扩散概率降低了76%。这标志着电池安全防护技术从实验室研究向工程化应用迈出了关键一步。

通过系统揭示电池热失控过程中颗粒物的生成-迁移-沉积规律，本研究不仅填补了动态行为研究的空白，更重要的是建立了量化评估体系。该体系将颗粒物特性参数（如尺寸分布、表面温度、运动速度）与安全指标（如短路风险、热蔓延速率）进行关联建模，为电池系统安全设计提供了全新的方法论框架。