电池泄压后浸没式冷却：热失控风险、电池尺度与淬熄策略的影响

《Process Safety and Environmental Protection》：Post-venting immersion cooling of over-heated battery: Effect of thermal runaway risk, cell scale, and quenching strategy

本文针对锂离子电池在泄压后至热失控前的关键时间窗口，探索了一种高效的紧急热管理策略。研究人员通过实验研究了13种不同尺寸（18650至32650）和能量密度（447至1,190 Wh/L）的圆柱形电池，采用介电液体（HFE-7200）进行泄压后浸没冷却。研究明确了电池的三种失效模式，揭示了电池尺寸与能量密度对热安全性的影响规律，并确定了防止热失控所需的最小冷却液用量。该研究为下一代高能量电池包的安全管理系统设计提供了关键的理论依据和工程指导。

　　

在能源转型的浪潮中，锂离子电池（LIB）因其卓越的能量密度和效率，已成为从便携电子设备到电动汽车、乃至电网储能系统的核心动力源。然而，对更高能量密度和更大单体电池的不断追求，也带来了严峻的安全挑战，其中热失控（TR）及其引发的火灾、爆炸事件是阻碍电池系统安全应用的终极障碍。从北京大红门储能电站的惨痛事故，到“Felicity Ace”号货轮的沉没，都敲响了电池热安全的警钟。在电池模组中，一旦某个单体电池因外部加热等原因发生热失控，其释放的巨大热量会迅速波及相邻电池，引发灾难性的级联失效。因此，开发能够阻断这种热传播链的有效热管理策略，是保障下一代高能量电池包安全的根本前提。

当前，常规的电池热管理和火灾扑救方法，无论是灭火剂（如水雾、七氟丙烷等）还是外部冷却系统（如风冷、液冷板），都难以在电池泄压后有效穿透电池包，直接“淬熄”电池内部的剧烈化学反应。前者冷却能力不足，难以阻止自生热反应；后者则因高热阻而响应过慢。尽管昂贵的浸没冷却作为一种直接的热管理方案，在正常工作状态下表现出色，但它通常并非为火灾扑救而设计，且在热失控发生后再将整个电池浸入冷却液往往为时已晚、冷却能力不足。值得注意的是，研究发现，在电池安全阀打开（泄压）到热失控发生之间，可能存在一个1-5分钟的关键时间窗口。在此窗口期内，即使是少量的浸没冷却液，也可能有效抑制电池的自生热，阻止热失控的发生。然而，电池在尺寸、形状、能量密度、安全阀设计上千差万别，这种泄压后紧急浸没冷却策略能否适用于更大、能量密度更高的电池，其所需的冷却液最小用量如何确定，仍然是关键的知识空白。

为了回答这些问题，由香港理工大学的研究人员Lei Zhang、Feiyu Guan、Yichao Zhang、Yuying Chen、Yanhui Liu、Congliang Ye、Shi Liu和Xinyan Huang组成的研究团队，在《Process Safety and Environmental Protection》期刊上发表了题为“Post-venting immersion cooling of over-heated battery: Effect of thermal runaway risk, cell scale, and quenching strategy”的研究论文。他们系统性地探究了泄压后浸没冷却作为一种紧急措施，用于防止不同尺度圆柱电池热失控的可行性、效能与关键限制。

为了完成这项研究，研究人员构建了一个覆盖5种标准圆柱电池型号（18650, 21700, 26650, 26700, 32650）、总计13种不同能量密度规格的全面实验矩阵。他们采用了高频感应加热来模拟来自相邻电池的外部热冲击，这种方法能可控地在电池钢壳上产生高热量，避免了传统烘箱加热的不均匀性。核心的实验设备是一个透明的亚克力容器，用于盛放被测试的电池和介电冷却液（HFE-7200）。实验主要分为两大组：第一组为基准组，对电池持续加热直至泄压，观察其固有的失效模式；第二组为浸没冷却组，在电池泄压后，立即向其注入不同体积比的HFE-7200冷却液（冷却液与电池体积比，记为Φ），研究防止热失控所需的冷却液临界用量。整个过程中，通过热电偶和数据采集器实时记录电池表面的温度演化，并用摄像机捕捉宏观失效形态。

研究结果

3.1. 泄压后失效模式与风险

研究发现，在相同的外部感应加热条件下，电池表现出三种截然不同的失效模式，其风险等级和热行为差异显著。

模式I（高风险，内部熔毁）： 主要出现在高功率的小尺寸电池（如18650 3.5 Ah）中。其特征是泄压后自生热极为迅速，升温速率>100 °C/s，峰值温度超过600°C。电池外壳变红，内部发生完全熔毁，是热后果最严重的一种模式。其根本原因在于内部压力累积过快，在壳体有效泄压前就已发生内部塌陷。

模式II（低风险，顶盖打开）： 在中等风险电池（如21700 5.8 Ah）中观察到。内部压力的快速积累导致电池顶盖爆开，卷芯被猛烈喷射出来。这一喷射过程本身带走了大量热量，导致测得的壳体温度骤降，从而意外地降低了热失控风险。这实际上是一种被动的“牺牲性冷却”机制。

模式III（无风险，安全泄压）： 令人惊讶的是，一些更大或更高容量的电池（如32650 6.5 Ah）表现出最温和的失效模式。尽管其总能量高，但由于厚钢壳和大直径带来的高热惯性和热梯度，安全阀能在电池核心达到热失控临界温度前打开并释放压力，使得温度自然衰减，呈现出“自终止”的热曲线。研究发现，要使32650电池在泄压后最终触发热失控，还需要额外的、持续约120秒的外部加热，这证明了其拥有比小电池（如18650）宽得多的安全窗口。

研究人员进一步绘制了电池热安全相图，将比表面积（SSA）与体积能量密度关联起来。结果表明，存在一个几何安全阈值。在无风险区内，较大的比表面积使电池能耐受更高的能量密度。随着能量密度增加，电池进入高风险熔毁区。有趣的是，在超高能量密度（>700 Wh/L）下，失效模式转向低风险的模式II（顶盖打开）。图5(b)揭示了其热力学机制：安全由临界的“焓移除阈值”控制。只有当电池的质量损失（即喷射出的物质）超过约70%时，这种“牺牲性冷却”效应才占主导，将反应焓有效带走，使电池“逃离”高风险区。

3.2. 通过浸没冷却进行动态抑制

研究证实，泄压后浸没冷却对于不同尺度和能量密度的电池具有普遍可行性。当注入足量冷却液（如Φ=1/2）后，无论电池原本倾向于熔毁（模式I）还是安全泄压（模式III），其表面温度都能被有效地钳制在冷却液的沸点附近（HFE-7200约为76°C）。这证明了相变冷却是一个可靠的安全屏障。对于大电池（低风险模式，如26700 5.0 Ah），仅需极少量的冷却液（Φ < 1/16）即可完全消除热失控风险。而对于高功率小电池（如18650 3.5 Ah），其热响应对冷却液体积高度敏感。冷却液不足时，有限的液体存量在电池内部反应热耗尽前就被快速消耗，温度会脱离沸点平台并指数上升，导致热失控。只有当冷却液充足时，沸点平台才能持续足够长的时间，成功阻止热失控。

3.3. 临界冷却极限与安全地图

为了回答“保证安全所需的最小冷却液体积是多少”这一关键工程问题，研究对高风险电池进行了定量敏感性分析。图8(a)显示，对于所有电池都存在一个明显的“安全悬崖”：低于特定阈值（Φ_min，下限），冷却能力不足，电池温度超过400°C；高于此阈值，温度被成功钳制。这个临界阈值并非通用，而是依赖于电池和冷却液。例如，18650 3.0 Ah电池在Φ_min= 1/8时被抑制，更大的21700 4.0 Ah需要Φ_min= 1/4，而高能量密度的18650 3.5 Ah则要求最高的Φ_min= 1/2。这表明最小冷却液用量与存储的总能量或能量密度相关，而不仅仅是电池尺寸。

其物理机制在于，抑制本质上是一场耐力赛：冷却液的潜热容量必须比电池的主动产热阶段持续更长时间。高能量电池（如21700 4.0 Ah和18650 3.5 Ah）维持着更长的放热过程，因此需要更大量的冷却液来覆盖其反应窗口。

基于所有测试电池的临界冷却极限，研究人员最终绘制了一个统一的安全地图。图9将临界冷却液体积比与电池比表面积（SSA）关联起来，揭示了一个清晰的几何缩放规律。与传统认知相反，高比表面积的小电池由于其低热质量导致反应速率快，其内部自生热超过了表面冷却速率，反而需要更高的冷却液体积比来成功“淬熄”反应。而大电池（如32650）则受益于其更大的热惯性，可以用极少的冷却液实现成功抑制。

为了提供确定性的热管理设计准则，研究定义了一个“保守安全边界”（图中虚线）。该边界代表了实验数据的上包络，描绘了在最坏情况下保证安全所需的冷却液体积。对于任何给定的电池几何形状，热管理系统的设计必须使冷却液体积比落在“安全设计区”（虚线以上）。他们推导出了一个基于物理的缩放定律Φ ∝ SSA · ε，这表明紧急冷却的难度根本上由几何效率（SSA）和能量潜力（ε）的耦合决定。最终，他们得到了一个用于泄压后紧急冷却工程设计的经验公式：Φ_min≈ 5(SSA - 0.14)。这个公式允许工程师仅根据电池的几何参数和能量密度来确定最小冷却液存量，而无需对每种新电池型号进行昂贵且破坏性的测试。在工程应用中，为确保冗余，建议对Φ_min应用1.2到1.5的安全系数。

研究结论与重要意义

本研究的核心结论是，泄压后浸没冷却是一种在物理上可行且可量化的电池热失控预防策略。研究首次系统性地量化了使用介电液体（HFE-7200）对13种不同尺度与能量密度的圆柱锂离子电池进行泄压后浸没冷却的极限（最小冷却液用量）。研究明确了三种与几何形状相关的失效模式，揭示了“更高能量不等于更高风险”的复杂安全图景，并挑战了传统偏见。更重要的是，研究不仅验证了相变冷却作为统一安全屏障的有效性，还通过理论分析和大量实验，建立了一个物理模型和与之对应的、确定性的工程设计工具——多维安全地图与关联SSA的经验公式。

这项工作的核心意义在于，它架起了电池内在属性与外部抑制极限之间的桥梁。它证明，当冷却液的库存量被设计得足以“耗过”电池耦合的动力学和能量释放过程时，热安全是可以确定性地实现的。该研究为未来电池安全管理系统的设计，特别是面向更大规模、更高能量密度电池包的浸没式热管理/消防一体化系统，提供了关键的物理见解和实用的工程指导原则。它使得工程师可以基于电池数据手册上的标准参数（比表面积和能量密度）来标定冷却系统，从而以更低的成本和更高的可靠性，迈向更安全的电池能源未来。