量化不同触发方法下航空用锂离子电池模块热失控的关键参数

《Journal of Energy Storage》：Quantifying the key parameters of thermal runaway in aviation lithium-ion battery modules under different triggering methods

　　

Juan Yang|Xin Yang|Wenhao Liu|Jianghao Niu|Jiang Xie|Qingsong Zhang

中国民用航空大学工程技术培训中心，天津，300300，中国

摘要

对于航空动力锂离子电池而言，热失控抑制的适航性验证对于确保安装的锂离子电池系统的安全性至关重要。在当前的热失控抑制测试中，整体加热和局部加热触发方法之间的选择仍存在争议。本研究使用了一个总容量为300 Ah的12节软包型动力锂离子电池模块作为实验对象，并在密封的氮气环境中比较分析了该模块在两种加热触发方法（即整体加热和局部加热）下的热失控行为和气体爆炸特性。实验结果表明，在局部加热条件下，功率密度达到了22.0 kW/m²，大约是整体加热条件下的两倍（10.6 kW/m²），从而更快地引发了热失控并产生了更多的可燃物质。爆炸危险指数和TNT当量分别为8.25和307.01 g，均高于整体加热条件下的数值（7.57和234.99 g），表明热失控气体爆炸的概率更大。在整体加热条件下，早期输入的能量更大，峰值温度和最大温度上升率分别达到了1358°C和475°C/s，也高于局部加热条件下的数值（965°C和167°C/s），表明热冲击和结构损伤效应更强烈。本研究揭示了两种触发模式下模块热失控传播路径和危险特性的差异，为适航性验证方法的选择和保护设计提供了依据。

引言

由于锂离子电池具有高能量密度、高功率密度、宽工作温度范围、长循环寿命和低自放电率等优异特性，它们被广泛应用于民用航空领域[1]。然而，随着应用规模的扩大，安全问题日益突出，锂离子电池逐渐成为影响飞机运行的潜在隐患[2]。最近在热失控建模方面的进展进一步凸显了锂离子电池中多物理场耦合和传播的复杂性[3]。根据美国联邦航空管理局（FAA）的研究报告，2006年3月3日至2026年4月15日期间，全球共发生了717起与锂离子电池相关的烟雾、火灾或极端高温事件。仅2025年就报告了97起事件，平均每月约8起[4]。这些数据表明，锂离子电池已成为影响航空安全的主要潜在风险之一。在处理和运输过程中，机械变形（如压缩或碰撞）可能会损坏内部隔膜并引发短路。相反，热失控会导致电压迅速下降、大量热量释放以及有毒和易燃气体的排放，从而对飞行安全构成严重威胁[1]，[5]。

为了解决上述问题，国内外研究人员对热失控后小容量单电池单元的温度、传播和气体危险特性进行了深入研究。这些研究具体考察了不同的参数，包括加热、钉子穿刺和过充电等触发方法，以及加热功率和位置。Liu Lei[6]比较了九种不同单电池单元在加热、钉子穿刺和过充电条件下热失控引发的成功率和可行性，发现加热是最适合触发锂离子电池热失控的方法。Huang等人[7]、[8]研究了不同加热功率和加热位置对单电池单元热失控行为的影响，发现随着加热功率的增加，热失控的严重程度变得更加明显，且顶部表面加热比侧面或底部加热导致的热失控时间更短，单元的整体温度和峰值温度更高。Huang Zonghou[9]通过对不同加热位置进行热失控实验，揭示了单电池单元内局部热失控的传播速度和内部电压响应。Liu等人[10]研究了加热功率和SOC（状态容量）对圆柱形锂离子电池热失控发生和传播的影响。他们指出，加热功率不仅影响最初被触发电池的热失控强度，还通过预热效应对后续电池的传播过程产生影响。Liu等人[11]研究了激光诱导的圆柱形锂离子电池热失控行为，并报告称激光照射作为一种局部加热方法，可以模拟热点引发的热失控，具有相对较高的加热效率，从而为评估与局部热点故障相关的热危险提供了有用的参考。在模块和电池组层面，He等人[12]开发了一个用于大规模锂离子电池系统的简化热失控网络模型，表明模块内的热量积累会显著加速热失控的传播，而结构热传递路径则显著影响传播路径和热量散发。这些研究表明，不同的加热触发方法显著影响单电池单元的热失控行为，从而影响飞机电池热失控抑制的适航性验证结果的准确性；在空间限制条件下也观察到了类似的传播增强效应[13]，[14]。然而，目前全球的研究主要集中在触发方法、加热位置和加热功率等因素对小容量锂离子电池单电池单元热失控行为和气体危险的影响上。关于软包型电池在模块层面的研究较少，主要考虑了充电状态和触发位置的影响[15]，而在不同触发条件下的大容量航空动力模块的系统性实验数据仍然匮乏。鉴于电动飞机需要满足高输出率和长续航力的要求，它们通常需要大容量、高功率密度的电池作为动力源。因此，作为飞机推进系统的核心组件，航空锂离子电池的安全性和可靠性已成为主要的研究焦点。

因此，航空锂离子电池的适航性认证已成为确保飞行安全的关键环节。国际适航性法规和行业标准明确要求进行电池热失控抑制测试。这些包括FAA特殊条件25-359-SC、EASA SC-VTOL以及RTCA DO-311A（用于飞机的可充电锂离子电池和电池系统的最低运行性能标准）和RTCA DO-160G（机载设备的环境条件和测试程序）等行业标准。然而，测试细节（如触发位置、触发方法、测试规模和验收标准）的差异可能会显著影响验证结果。基于此，在适航性认证阶段必须采用适当的方法对锂离子电池进行热失控抑制测试，以验证其是否符合适航性要求。最近的三维数值和简化建模研究定量评估了关键加热条件和电池组级热传递路径对锂离子电池热失控发生和演变的影响[16]。然而，不同触发条件下的大容量航空动力模块的实验数据仍然不足。因此，本文以大容量软包型航空锂离子电池模块作为研究对象，使用实验方法比较分析了该模块在两种加热触发方法（整体加热和局部加热）下的热失控特性、热失控气体释放特性和爆炸危险。研究结果表明，在两种加热触发方法下，航空锂离子电池模块内的热失控传播路径和气体危险存在显著差异。本研究的结果可以为航空锂离子电池系统的适航性验证方法和热失控抑制设计提供实验证据和技术参考。

章节片段

实验电池介绍

实验使用了软包型航空动力锂离子电池模块作为测试对象。正极材料为LiMn₂O₄（LMO），负极材料为石墨。电解质使用LiPF₆作为锂离子盐，有机溶剂包括碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）和碳酸乙甲基酯（EMC）。电池型号为CV07，单个电池的尺寸为230 × 158 × 8.4 mm，额定容量为25 Ah。该模块由12个电池单元组成，提供

热失控特性分析

为了全面评估航空动力锂离子电池模块的热失控风险，本节整合并分析了锂离子电池模块的关键参数，包括热失控触发时间、外部输入热量、功率密度、峰值温度和温度上升率。

热失控起始时间是电池内部自热过程中热量积累触发不可逆放热反应的关键时刻[17]

结论

本研究调查了采用LiMn₂O₄正极材料的软包型航空动力锂离子电池模块在两种不同触发模式（局部加热和整体加热）下的热失控特性和气体产生危险。通过分析两种加热触发模式之间的差异，并对热失控气体危险进行定性和定量分析，得出了以下结论：

(1)

由于局部加热触发模式的功率密度更高

CRediT作者贡献声明

Juan Yang：项目管理、方法论、概念化。Xin Yang：撰写——初稿、数据整理。Wenhao Liu：可视化、形式分析。Jianghao Niu：撰写——审阅与编辑。Jiang Xie：资金获取。Qingsong Zhang：资源提供。

资助

本工作得到了中国国家重点研发计划（编号：2025YFF1502100）、中央高校基本科研业务费重点项目（编号：3122024058）、深圳市科技创新计划（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（编号：JCZX-2024-KF-03）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。