封闭式锂离子电池（LIB）簇中热失控传播的加速机制以及液体浸没带来的火灾风险

《Energy》：Acceleration mechanism of the thermal runaway propagation in an enclosed LIB cluster and the fire disadvantage of liquid immersion

锂离子电池模组热失控传播机制研究：开放与封闭空间热传递差异、气体传热主导效应及全浸冷却的双刃剑作用。

　　

毛斌斌|池成|卢家豪|张颖

武汉理工大学安全科学与应急管理学院，中国武汉

摘要

锂离子电池（LIB）模块中的热失控传播（TRP）是一个重大的安全问题，尤其是在热量和喷射物无法有效散发的封闭环境中。本研究系统地探讨了在不同条件下的热传递机制对TRP的影响：开放空间与封闭空间、惰性气氛与氧化性气氛以及全浸冷却场景。在开放空间中，TRP通常由于热量快速散发而终止；而在封闭空间中，由于灼热气体的持续热反馈，TRP会显著加速。后排电池的传播速度比前排快9-11倍。解耦分析表明，在TR发生前，来自周围气体的热量占总热量的90%以上，远超过辐射效应。固体喷射物虽然增强了局部加热，但其作用相对次要。使用5号工业白油进行全浸冷却具有双重关键效果：该油可以延缓触发电池的TR约1600秒，但一旦点燃，则可能导致更严重的火灾，峰值热释放率（HRR）从16.76 kW增加到366.62 kW。本研究强调了气相热传递的关键作用，并量化了热传递路径，为减轻封闭式LIB簇的TRP提供了宝贵的建议。

引言

锂离子电池（LIB）由于其高能量密度和长循环寿命，已成为电动汽车和电网规模应用中的主要储能解决方案[1]、[2]。此外，LIB固有的高能量密度，加上易燃的电解液以及复杂的多应力环境（如机械冲击、电气滥用或环境腐蚀），容易在单个电池中引发热失控（TR），并可能演变为模块或系统级别的级联故障，尤其是在封闭模块中。大量研究集中在开放空间条件下的热失控传播（TRP）行为[3]、[4]、[5]、[6]。Feng等人[2]、[7]、[8]发现，单个电池在TR过程中释放的热量中，仅有12%就足以触发相邻电池的故障，并指出在开放环境中，火焰在TRP中的作用有限。Xie等人[9]研究了充放电速率对低压条件下TR特性的影响，进一步阐明了开放环境中的热传递机制。然而，实际应用中的电池模块通常是封闭的，形成了热量和固体喷射物无法有效散发的封闭空间。这导致严重的热量积累和局部热相互作用加剧，从而显著加速和强化了TRP[10]、[11]、[12]。此外，喷射出的电解液蒸汽和气体及其燃烧会释放大量热量，进一步促进TRP。Zeng等人[13]观察到，在封闭空间中热喷射物的积累会大大加速TR的传播。Yan等人[14]分析了不同空间限制下主导的热传递模式，表明电池间的空气传导可贡献总传递热量的83.8%。Stoliarov及其同事[15]、[16]、[17]报告称，在空气中，电池排间的TRP速度比在氮气中快九倍，直接凸显了燃烧的强烈加速效应。锂离子电池组中的TRP已通过实验和数值方法进行了广泛研究。Jia等人[18]通过数值模拟研究了18650型锂离子电池组的TRP行为，表明相邻电池间的热传递（通过固体接触路径和间隙材料）、气体相间的热交换以及电池表面间的辐射交换对引发级联故障至关重要。

随着对TRP抑制需求的增加，多项研究[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]探索了使用液体介质进行浸没冷却的方法，以增强对流热传递并调节电池温度。浸没液具有低热阻和优异的热传递性能，可以有效控制模块的最高温度并实现更均匀的温度分布，这在热管理系统中得到了广泛应用[25]、[26]、[27]。关于TRP的抑制效果，Yang[19]研究了浸没深度对18650型电池的影响，发现70毫米的浸没深度显著延缓了安全阀破裂到TR触发之间的时间并降低了峰值温度。Liu[21]利用浸没冷却技术在钉子穿刺测试中抑制了TRP。上述结果表明，使用浸没冷却可以有效抑制由过热、过充、钉子穿刺等滥用条件引发的TRP。峰值温度可以降低，气体生成也显著减少。然而，以往关于液体浸没的研究[19]、[20]、[21]、[28]、[29]主要集中在单个电池或小模块上，而在TRP加速阶段，浸没的缓解效果和火灾风险仍不明确。

如上所述，一些关于LIB TRP的研究集中在小模块或开放空间中进行，而大多数涉及液体冷却剂的热管理研究并未充分考虑TRP的加剧效应。此外，在封闭空间中，灼热气体、颗粒喷射和火焰可以直接加热电池，但它们对TRP的加热效应很少被定量分离或比较。为填补这些研究空白，本文系统地分离了关键因素（壳体辐射、高温气体、颗粒物和火焰）对TRP速度的影响。本研究使用了一种具有高热容量和沸点的工业油作为浸没系统中的液体冷却剂，并分析了其功能及其缺点。这为封闭模块中LIB系统的安全设计和热管理提供了重要见解。

实验设计

实验设计

在包括开放空间和封闭空间在内的不同环境条件下进行了一系列系统的TRP实验，如图1所示。电池样品、布局、TR触发方法以及温度和HRR（热释放率）的测量设置与我们之前的研究[30]相同。电池簇由15个18650型锂离子电池组成，排列成3×5的矩阵。所有测试中，相邻电池之间的间隙固定为2毫米。每个电池的质量约为44克

封闭空间的影响

为了研究空间限制对LIB簇TRP的影响，对开放环境和封闭环境进行了比较分析。结果用于系统地探讨空间约束影响TRP行为的机制。在开放空间测试中，一旦启动电池中的TR发生，释放出的高温颗粒、火焰和气体会迅速扩散到周围环境中，形成有效的热

结论

本研究通过对比实验和定量热传递分析，系统地阐明了封闭式锂离子电池簇中TRP的机制。分析了封闭空间、灼热气体和颗粒物、燃烧以及液体浸没对TRP的影响因素，主要结论如下：

开放空间和封闭空间中的TR行为存在根本差异。在开放空间中，高温气体和固体喷射物的快速散发防止了

CRediT作者贡献声明

张颖：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。池成：撰写——初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、形式分析。毛斌斌：撰写——审稿与编辑、软件使用、资源调配、资金获取、概念构思。卢家豪：可视化、验证、监督、调查、概念构思

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52304248）、湖北省重点研发计划（编号：2025BCB101）以及UKRI项目（RC资助参考编号：EP/Y027639/1）的支持。