《Process Safety and Environmental Protection》：Hazard of Thermal Runaway Ejection in Lithium-ion Batteries and Passive Protection Strategies
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锂离子电池热失控（TR）喷射物对电池包上结构造成高温冲击和机械损伤，本研究开发专用测试平台，对比开放和受限空间下不同厚度（1mm和3mm）气凝胶、硅橡胶和云母片的热防护效果，发现3mm云母片可将背面峰值温度降低92.2%。通过FMEA分析验证防护策略可靠性，为电池包热防护设计提供理论支撑。
Juan Yang|Yanpeng Liang|Yu Yang|Heran Wang|Xin Yang|Jiang Xie|Qingsong Zhang
中国民航大学工程技术培训中心，天津 300300，中国
摘要
在热失控（TR）过程中，锂离子电池（LIBs）会释放出高温喷射物，对电池组的上层结构和周围环境构成严重威胁。本研究使用自主研发的热失控冲击测试平台，研究了不同空间条件下TR的危害。评估了厚度分别为1毫米和3毫米的气凝胶毛毡、可陶瓷化的硅橡胶和云母片的防护性能。实验结果表明，在开放空间中，TR喷射火焰的燃烧反应更为剧烈，在100%充电状态（SOC）下火焰温度可达到1264°C。相比之下，在密闭空间中，LIBs产生的冲击力更强，导致顶板变形更为明显。在热防护方面，1毫米厚的气凝胶、硅橡胶和云母分别将顶板后表面峰值温度降低了6.5%、90.1%和92.2%；而3毫米厚的材料则分别降低了89.7%、93.5%和94.2%。其中，云母表现出最佳的热绝缘和抗冲击性能。此外，还利用失效模式与效应分析（FMEA）方法评估了这些抑制策略的可靠性。本研究为电池组的热防护设计优化提供了理论和实验指导。
引言
受绿色航空战略的推动，飞机的电动推进技术已从概念验证阶段发展到实际应用阶段，正逐步向更多电气化和全电动架构转变（Schefer等人，2020年；Avogadro和Redondi，2024年）。由于锂离子电池具有高能量密度、长循环寿命、良好的稳定性和环保性（Chen等人，2025a；Zhao等人，2025年；Shen等人，2025年），它们已成为各种更多电气化和全电动飞机的首选储能解决方案。然而，随着电池能量密度的不断提高，安全问题日益突出，成为应用过程中不可忽视的关键问题。在机械、电气或热滥用等极端条件下（Yan等人，2025年；Zhang等人，2025年；Yang等人，2025年），锂离子电池可能会发生一系列剧烈的内部化学反应，导致热失控（TR）（Ren等人，2021年；Sun等人，2025年；Li等人，2025年）。在TR过程中，锂离子电池会同时释放气态、液态和固态的多相产物。释放的主要是气体物质，主要包括H?、CO、CO?和轻质烃类（Koch等人，2018年）；同时也会释放一定量的固体颗粒，主要由LiF和石墨组成（Wang等人，2023年）。液态成分通常被忽略，因为它们在高温下会迅速蒸发。高速喷射的高温固体颗粒可作为点火源，点燃气体产物中的可燃气体（如H?、CH?和C?H?），从而形成喷射火焰（Wang等人，2022年）。这些高温多相混合物的共同作用会导致电池组顶部结构温度迅速升高；同时，高压气体和固体颗粒的高速冲击会对结构造成严重的压力负荷。这种耦合效应会损害电池组顶板的结构完整性（Li等人，2024a；Li等人，2024b；Sterling等人，2024年），使TR过程中释放的火焰和有毒气体迅速蔓延，可能导致灾难性后果。
关于TR过程中喷射行为的相关危害，已有大量研究。Zhang等人（Zhang，2024年）研究了大容量三元锂离子电池在TR过程中的喷射特性，重点关注不同高度下的高温喷射温度和排气压力的变化。Chen等人（Chen等人，2023年）使用高速红外相机实验研究了TR过程中高温喷射物的温度演变和尺寸变化。基于动量和质量守恒定律，Li等人（Li等人，2024c）计算了TR诱导喷射的峰值速度、最大质量损失和峰值总压力。Zhang等人（Zhang等人，2022年）研究了顶板高度对TR喷射火灾特性的影响，分析了火焰长度、热流和顶板温度等参数。Peng等人（Peng等人，2023年）开发了电池模块内部气体喷射模型，发现气体压力导致电池盖发生显著变形，峰值应力和塑性应变分别达到70.59 MPa和1.9%。Choi等人（2025年）通过实验和仿真研究，分析了高温排气和内部压力积累对电池组顶部结构的响应。
为了解决这一危害，被动抑制方法提供了一种实用且直接的手段。通过在电池顶部结构中的电池单元上方添加隔热层，可以显著减轻TR对电池组顶板的影响。然而，目前关于隔热材料的研究主要集中在抑制相邻电池单元之间的热失控传播（TRP）上。Wong等人（Wong等人，2024年）比较了不同厚度的纳米纤维气凝胶的抑制性能，发现厚度大于2毫米的材料能有效防止TR传播。Liu等人（Liu等人，2022年）通过过充测试研究了五种屏障材料（玻璃纤维、陶瓷纤维、陶瓷纤维气凝胶、预氧化纤维气凝胶和硅气凝胶）对TRP的抑制效果，其中预氧化纤维气凝胶毯的抑制效果最佳。Huang等人（Huang等人，2025年）系统比较了四种材料（不锈钢、气凝胶毯、环氧板和镍泡沫）在3°C高倍率循环下抑制TRP的有效性，结果显示气凝胶毯的抑制效果最佳，3毫米厚的材料能有效防止TRP。
当隔热材料放置在电池单元之间时，通常关注的是隔离表面热量与相邻单元的接触。然而，当隔热层位于电池单元上方时，还需考虑其他因素，包括高温喷射物的影响和材料的电绝缘性能。因此，本研究选择了三种具有代表性的电绝缘和耐热材料——气凝胶毛毡、可陶瓷化的硅橡胶和云母板作为研究对象。此外，以往关于TR喷射危害的研究主要集中在开放环境或顶部受限的半密闭空间（Zhang，2024年；Li等人，2024c；Zhang等人，2022年）。相比之下，关于完全密闭电池舱内TR引起的火灾和喷射危害的研究仍然有限。与开放或半密闭环境相比，完全密闭的电池舱氧气供应受限，更能真实模拟电池组在实际应用中的常见条件（Tang等人，2024年）。
本研究在开放和密闭空间条件下，对不同SOC下的锂离子电池进行了系列TR实验，研究了TR喷射对电池组顶板的影响，包括温度响应、损伤形态和机械强度的降低。为防止这些危害，实验评估了三种不同厚度隔热材料对电池热失控冲击的抑制效果。最后，利用失效模式与效应分析（FMEA）方法评估了这些抑制策略的可靠性。研究结果为电池组防护材料的优化设计提供了数据和理论支持。
实验样品
本研究使用的锂离子电池型号为Samsung INR18650-35E，标称容量为3500 mAh，标称电压为3.6V，截止放电电压为2.7V。正极材料为LiNi?.?Co?.??Al?.??O?（NCA），负极材料为石墨，电解质为LiPF?。每个电池的初始质量约为48克。
测试电池使用恒电流-恒电压（CC–CV）充电协议分别充电至25%、50%、75%和100%的SOC。
顶板的热响应分析
图3展示了电池在TR过程中不同时间点的典型燃烧行为。随着电池持续加热，其温度稳步上升，触发了一系列放热化学反应，如固体电解质界面（SEI）层的分解、石墨负极与电解质之间的反应以及正极-电解质的分解（Zhang等人，2024年；Yan等人，2021年）。同时，内部压力也会增加。
结论
本研究研究了不同空间条件下锂离子电池TR喷射对电池舱上盖板的影响，评估了各种防护材料对这一危害的抑制性能，并使用FMEA方法对电池系统进行了安全性分析。主要结论如下：
(1)随着SOC的增加，TR喷射的强度
资助
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2025YFF1502100）、中央高校基本科研业务费重点项目（项目编号3122024058）、深圳市科技计划（项目编号KJZD20240903100707011）以及天津航空设备安全与适航技术创新中心开放基金（项目编号JCZX-2024-KF-03）的支持。
CRediT作者贡献声明
Qingsong Zhang：资源提供。Xin Yang：可视化处理、形式分析。Jiang Xie：调查研究。Yu Yang：撰写、审稿与编辑、监督。Heran Wang：验证、项目管理。Yanpeng Liang：撰写、原始草稿撰写、数据整理。Juan Yang：方法论设计、概念构思。
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作者声明与本研究无任何利益冲突。我们声明与所提交的工作无关的任何商业或关联利益。
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