控制储能舱中钠离子电池的热失控气体危害：工程措施的有效性及其机理分析

《Process Safety and Environmental Protection》：Controlling thermal runaway gas hazards from sodium-ion batteries in energy storage compartments: effectiveness and mechanistic insights of engineering measures

　　张一超|李黄|刘鹏杰|李志远|王成东|王青松|段强岭|孙金华
中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽省合肥市230026

**摘要**
钠离子电池（SIBs）的热失控（TR）可能在电化学储能系统（ESSs）中引发火灾和爆炸。然而，针对储能舱内SIBs TR的控制措施，尤其是针对TR气体和烟雾控制的措施，仍然理解不足。为了解决这一问题，本研究使用专用的电池舱实验平台结合数值模拟，系统地研究了氧气浓度、空气入口配置和排气速度对TR气体行为的影响。结果表明，降低氧气浓度可以改变热量释放、气体生成和燃烧行为，从而降低热危险强度并缩小爆炸范围，同时促进易燃气体的积累。对角线式的入口-出口配置显著增强了烟雾抽取效果，与同侧布局相比，气体停留时间减少了68%，抽取效率提高了2.16倍，这得益于延长的气流路径和更好的动量利用。此外，当排气速度达到1 m·s-1时，单电池TR事件后H2（<500 ppm）和毒性增长指数（<1）仍保持在较低水平，表明具有足够的安全裕度。基于这些发现，提出了一种多措施协同的TR气体控制策略，为基于SIB的ESSs的安全应用提供了实际指导。

**引言**
近年来，全球向可再生能源的转型加速了储能系统（ESSs）的大规模部署（Akca-Guler等人，2025年；Wang等人，2024年）。在新兴电池技术中，钠离子电池（SIBs）因其原材料成本低、低温性能可接受以及相对较高的能量效率而越来越受到关注（Li等人，2025a）。然而，在实际应用中，电池通常被布置在半封闭的舱内，模块密集排列。这种配置引入了与开放环境截然不同的安全挑战（Jia等人，2025a；Liu等人，2023年；Zhou等人，2025年）。在这种条件下，热失控（TR）事件可能会迅速释放大量高温和有毒气体（Amano等人，2025年；Jia等人，2024年；Qin等人，2022年；Hu等人，2024年）。最初局限于单个电池的故障可能会升级为系统级危险。TR过程中产生的气体通常含有易燃和爆炸性物质。随着这些气体在电池舱内积累和扩散，它们可能形成局部可燃气氛。如果没有有效的控制，这种气体积累可能会通过触发级联TR传播甚至二次爆炸进一步加剧事故，对系统完整性和人员安全构成严重威胁（Shan等人，2024年；Wang等人，2024年）。从过程安全的角度来看，需要仔细研究这些故障场景。特别是，应量化与TR气体生成和在舱内积累相关的危险水平。明确了解这些风险是为设计适当的安全屏障提供基础。在实际应用中，这些屏障可能包括惰化系统或基于通风的缓解策略，以将ESSs的整体风险降低到可接受的水平。

越来越多的研究探讨了电池TR及其相关气体生成的灾难特性和风险影响（Zhang等人，2025年；Chen等人，2025年；Liu等人，2025年；Wu等人，2026年）。在实验研究中，Yang等人（2025年）在几种滥用条件下触发了大容量SIBs的TR，并分析了加热功率如何影响释放气体的爆炸极限的动态演变。Cheng等人（2025年）开发了一个包含TR气体关键参数的数据库，包括爆炸性、毒性和燃烧热。在此基础上，他们提出了一个定量安全评估框架，用于评估不同正极材料的电池的危害。Liu等人（2022年）应用了分数有效剂量（FED）和分数有效浓度（FEC）模型来评估电池火灾产生的气体的毒性。他们的结果表明，FED和FEC都超过了临界值1，表明在火灾条件下存在严重的毒性危险。他们进一步估计了降低这种风险所需的最小新鲜空气更新率。在后续研究中，Liu等人（2023年）使用相同的方法评估了开放和封闭环境中TR气体的毒性。Li等人（2025年）也提出了一个TR危险评估模型，并认为SIBs的危险水平介于三元锂离子电池（LIBs）和磷酸铁锂电池之间。

数值模拟也被用来研究TR相关的危险（Peng等人，2026年；Ma等人，2024年；Ding等人，2025年）。Jia等人（2024年）基于单个磷酸铁锂电池的TR实验开发了一个40英尺的储能容器模型。他们的模拟研究了H2和CO的扩散行为。结果表明，在通风条件下，这些气体的稳态浓度明显低于非通风情景下的浓度。Hu等人（2025年）提出了一个能够再现ESSs中结构爆炸响应的有限元模型。该模型用于分析不同点火位置引起的爆炸危险，并评估容器结构的抗爆性。综合这些研究，为SIBs的安全特性和TR气体的危险评估提供了宝贵的见解。

除了危险特征描述外，还有一些研究探讨了ESSs的安全保护策略。氮气（N2）惰化被广泛认为是一种有效的缓解措施，因为它通过降低封闭空间中的氧气（O2）浓度来抑制燃烧反应（Cai等人，2024年）。然而，其在储能装置中的实际应用仍然有限。这一限制部分源于SIBs和LIBs在TR热量释放、气体生成和燃烧行为方面的差异（Teng等人，2025年；Yue等人，2024年）。因此，为锂离子系统开发的保护方案不能直接转移到基于SIB的ESSs上，而需要进一步评估。

通风和烟雾抽取系统是另一种广泛采用的缓解策略。这些系统利用强制气流去除热气体和燃烧产物，长期以来一直应用于隧道和设备室等封闭环境（Tamm和Jaluria，2017年）。它们的有效性在很大程度上取决于气流速度以及空气入口和排气口的分布。在电池舱内，强制通风可以快速排出TR过程中产生的高温烟雾和易燃气体。这一过程有助于缓解压力积聚，并降低封闭空间内火灾传播的可能性（Zhang等人，2022年；Zhu等人，2020年）。然而，SIBs的TR烟雾成分与建筑物或隧道中的传统火灾不同。它通常含有大量的易燃和爆炸性物质，特别是H2和CO（Jia等人，2025b；Ping等人，2025年）。因此，这些气体在通风下的扩散行为可能遵循不同的控制机制。先前的研究还表明，空气入口和排气口的相对位置强烈影响封闭空间内的气流结构，从而影响烟雾去除效率（Lou等人，2025年）。在其他封闭环境中也有类似的观察结果。例如，在地铁车厢中，侧壁开口和端开口配置下的烟雾传播模式有显著差异，后者通常提供更高效的烟雾抽取（Wu等人，2024年）。尽管如此，ESS舱的几何形状和内部布局与隧道或地铁车辆有很大不同。密集排列的电池模块周围的气流路径更为复杂，气体流动与电池表面之间的热和质量传递过程也相应地更加复杂。

尽管对钠离子电池安全的关注日益增加，但大多数现有研究仍然集中在相对较小的尺度上，如电池级TR行为或材料级反应机制。相对较少的研究探讨了TR和相关有害气体释放在大规模半封闭ESS舱内的演变。特别是，在全尺度条件下，特定烟雾控制措施的有效性和局限性仍不清楚。实际的工程实施策略也很少被讨论。因此，理论安全分析与实际工程应用之间存在差距，这阻碍了有效的安全设计和风险管理策略的发展。在这项工作中，我们通过实验和数值模拟的结合，系统地评估了几种危险控制措施的有效性。首先，研究了氧气浓度对钠离子电池TR过程的影响，重点关注气体生成、热量释放、燃烧行为以及产生的气体混合物的爆炸极限。然后比较了不同空气入口布置的烟雾排放性能，以明确气流路径和压力分布如何影响通风效率。此外，分析了不同通风速度下氢浓度的演变，以确定满足相关安全标准的合理气流范围。基于这些发现，提出了一种协调的多措施控制策略，用于SIB系统中的TR烟雾。

研究结果提供了可转化为实际工程参数的定量数据，包括用于危险识别、定量风险评估、安全屏障设计和应急响应规划的数据。通过这种方式，本研究旨在加强基于SIB的ESSs的安全策略的工程适用性。最终，这些发现为钠离子电池储能舱的安全设计提供了科学依据，并支持其在大规模储能应用中的更安全部署。

**部分摘录**
**电池样本**
实验对象是一个50 Ah的棱柱形硬壳SIB，其O3型层状氧化物正极由钠镍铁锰氧化物组成。测试电池的关键规格总结在表1中。测试前，所有电池均充电至100%的充电状态（SOC），然后静置12小时以确保电化学平衡。

**实验平台**
如图1a所示，电池被包裹在隔热材料中以最小化测试热量损失。

**实验现象**
图3a展示了在不同氧气浓度下SIB的TR过程。观察到的现象包括安全排气（SV）、TR启动、持续燃烧、气体释放、火焰持续时间和电池残骸的最终形态。为了清晰起见，整个过程可以分为四个阶段：第1阶段，从滥用开始到SV；第2阶段，从SV到TR启动；第3阶段，持续燃烧直至自熄灭；第4阶段，反应衰减及事件后的情况。

**结论**
本研究从过程安全的角度系统地研究了封闭储能舱内单个大格式SIB的TR烟雾和气体危险。再现了真实的TR场景，并评估了关键的工程控制措施。基于这些结果，开发了一种集成的SIB舱气体控制策略。主要结论如下：
（1）低氧气条件降低了舱内TR的总体严重程度。

**未引用的参考文献**
（Wang等人，2024年；Wang等人，2023年；Jia等人，2022年）

**作者贡献声明**
张一超：撰写——原始草稿、方法论、调查、数据管理、概念化。
刘鹏杰：撰写——审阅与编辑、资金获取。
李黄：资金获取、数据管理。
王成东：数据管理。
李志远：数据管理。
王青松：监督。
孙金华：监督。
段强岭：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了中国国家重点研发计划（编号2024YFE0209200）、国家自然科学基金（52404259）和中国博士后科学基金（资助编号2024M763158）的支持。