《Journal of Energy Storage》：Experimental study on thermal runaway propagation behavior and flame-module size coupling mechanism for prismatic lithium titanate batteries
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采用Li?Ti?O??（LTO）作为负极的钛酸锂电池，因具有高安全性及长循环寿命等优点，在轨道交通领域受到广泛关注。然而，其热失控传播（TRP）行为机理，尤其是火灾场景下的作用机制，尚不明确。本研究系统考察了不同模组尺寸（1×2、1×3、1×4）的22 Ah方
采用Li?Ti?O??（LTO）作为负极的钛酸锂电池，因具有高安全性及长循环寿命等优点，在轨道交通领域受到广泛关注。然而，其热失控传播（TRP）行为机理，尤其是火灾场景下的作用机制，尚不明确。本研究系统考察了不同模组尺寸（1×2、1×3、1×4）的22 Ah方形钛酸锂电池模组在有无火焰参与条件下的TRP特性。除分析温度、TRP时间及速度等关键TRP特征参数外，研究还定量表征了模组级TRP的临界触发能量，揭示了火焰暴露与模组尺寸对TRP的协同影响规律。结果表明：无火焰条件下，模组级TRP所需临界能量约为109.53 kJ；火焰可降低临界传播能量，但该降低程度受模组尺寸制约。此外，火焰对传播速度呈现"初期抑制、后续加速"的阶段性影响，该转变加剧了传播链路上热失控的严重程度。基于实验数据，建立了双层"触发-传播"预测模型，实现了火灾场景下方形钛酸锂电池模组临界触发能量及传播速度的预测。该工作可为轨道交通及储能系统中钛酸锂电池模组热失控的预测、预防与控制提供科学依据及理论支撑。
## 一、研究背景与问题提出
锂离子电池（LIBs）凭借高能量密度、快速充电、长循环寿命及低自放电等优势，已广泛应用于各类便携式电子产品及电动汽车中。然而，传统锂离子电池采用石墨作为负极材料，存在因固体电解质界面（SEI）膜导致的不可逆容量损失问题，且长期循环、高温存储及快速充电均会加速石墨负极体系电池输出功率与容量的显著衰减。相比之下，采用Li?Ti?O??（LTO）作为负极具有零应变特性、纳米级颗粒、快速充电时无析锂现象以及高温条件下强热稳定性等优势，赋予钛酸锂电池高功率密度、长使用寿命、快速充电及高安全性等特点。在车辆及固定式电源系统应用中，锂离子电池对高功率、容量及使用寿命的要求极高。动力型钛酸锂电池的循环寿命可达同类型磷酸铁锂（LFP）电池的两倍、同类型锰酸锂电池的三倍，且具有更宽的工作温度范围，已成为轨道交通车辆动力系统的优选电池之一。关于钛酸锂电池正极材料的选择，镍钴锰三元材料（NCM）是优异的选择，20 Ah级NCM/LTO电池在高功率、高能量、低温耐受性及长使用寿命方面展现出良好平衡，适用于纯电动汽车（EVs）、插电式混合动力汽车（PHEVs）及固定式电源应用。
然而，电池热失控（TR）安全问题不容忽视。电池循环过程中潜在的固有缺陷可能触发TR，当单体锂离子电池发生TR时，热失控将从该单体传播至相邻电芯，最终导致系统级灾难性后果。研究表明，即使热稳定性较高的LFP电池在TR过程中仍会产生C?H?、H?等可燃气体，引入火灾风险，这一气体释放特性进一步放大了TRP的危害等级，增加了爆燃及大规模火灾等极端后果的发生概率。电动汽车、轨道交通车辆等应用均采用大量锂离子电池组成的供能系统，因此电池热失控传播（TRP）问题亟待解决。
近年来，众多学者围绕电池模组内TRP的行为特性、影响因素等开展了广泛研究，当前研究主要聚焦于电气连接方式、荷电状态（SOC）等因素对TRP的影响。然而，现有研究多集中于NCM及LFP电池的TRP机理，钛酸锂电池的TRP特性以及火焰与模组内电池数量（模组尺寸）对TRP的耦合影响机制尚不清楚。针对钛酸锂电池，仅少数学者探索了其TRP特性，且研究发现圆柱形与方形钛酸锂电池的热反应特性存在差异，方形钛酸锂电池模组TRP及火焰蔓延研究仍处于空白阶段。为此，本研究旨在填补棱柱形NCM/LTO电池模组在不同模组尺寸、有无火焰参与条件下的TRP特性知识空白。
## 二、关键技术方法
研究人员采用中国合肥中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室的实验条件，选用22 Ah商业方形钛酸锂电池作为样本，正极材料为NCM，负极材料为Li?Ti?O??。实验设计了1×2、1×3、1×4三种模组尺寸，分别在有无火焰参与条件下进行热滥用测试。关键技术方法包括：（1）采用铝块对照组计算加热板实际功率，结合单体电池TR过程中的能量变化，计算LTO电池TR前的自生热能量，进而获得触发TRP的临界能量；（2）构建双层"触发-传播"预测模型，定量揭示火焰与模组尺寸对TRP的耦合作用机制；（3）利用绝热量热法测定100% SOC LTO电池的绝热TR特性，以温度升速率持续大于0.02 °C/min作为电池达到绝热条件下自加热温度的判据。
## 三、研究结果
**绝热TR特性**：通过绝热量热测试，研究人员获得了100% SOC LTO电池在绝热条件下的温度及温度升速率特性。在绝热环境中，当温度升速率达到1 °C/min并持续一定时间即可判定电池发生TR，该实验为后续模组级TRP研究提供了基础热失控特性数据。
**不同模组尺寸及火焰条件下的TRP特性**：通过系统控制实验，研究人员准确量化了触发TR所需的关键外部能量参数。结果显示，无火焰条件下模组级TRP的临界能量约为109.53 kJ。火焰条件下，临界传播能量降低，但该降低程度受模组尺寸制约。
**火焰对TRP的阶段性影响**：研究发现火焰对传播速度呈现"初期抑制、后续加速"的阶段性影响特征。这一转变增加了传播链路上热失控的严重程度，揭示了火焰对TRP的非单调影响规律。
**临界触发能量量化**：通过铝块对照组实验，结合单体电池TR过程中的能量变化分析，研究人员计算了LTO电池TR前的自生热能量，首次实现了模组级TRP临界触发能量的定量表征。
**双层"触发-传播"预测模型**：基于实验数据，研究人员构建了双层"触发-传播"分析和预测模型。该模型一方面解释了火焰与模组尺寸对临界传播能量的协同影响；另一方面阐明了火焰对TRP的非单调影响，呈现"初期抑制、后续加速"的动力学特征。在此基础上，进一步建立了相应的预测数学模型，实现了对不同条件下临界传播条件及TRP速度的定量评估。
## 四、讨论与结论
本研究通过对方形NCM/LTO电池模组在热滥用条件下、不同尺寸（1×2、1×3、1×4）及有无点火情况下的TRP实验，定量分析了电池模组的TRP行为，以及不同模组尺寸和火焰对TRP的影响机制。基于实验结果建立了双层"触发-传播"预测模型，实现了对TRP行为的预测。该研究首次定量揭示了火焰与模组尺寸对TRP的耦合作用机制：在临界传播能量方面，火焰与模组尺寸存在协同影响；在传播速度方面，火焰呈现"初期抑制、后续加速"的非单调动力学特征。该模型可应用于轨道交通及储能系统中不同尺寸LTO电池模组火灾场景下TRP的预测与防控，为电池安全设计提供了理论支撑。本研究成果发表于《Journal of Energy Storage》，为钛酸锂电池模组的安全应用提供了科学依据。
