power-sonic蓄电池支线隧道中锂离子电池热失控行为：正极化学特性与充放电速率的影响
2026-04-16 16:02:47 点击： 次
锂离子电池热失控（TR）事件在封闭和半封闭空间中引发严重的消防安全挑战，尤其在复杂分支隧道中，其烟气运动与热量积聚特性与单线隧道存在显著差异。本研究探究了正极化学体系（LiFePO4、LFP；LiNi0.5Co0.2Mn0.3在按比例缩放的支线隧道中，研究了镍钴锰三元正极材料（NCM）荷电状态（20%-100%）与充放电倍率（0.5C-4C）对热失控（TR）行为的影响。实验采用1:10隧道模型，定量分析了喷射火焰演变、温升及辐射热通量等参数。2, NCM) and charge/discharge rates (0.5 C–4 C) on TR behaviour in a scaled branched tunnel. Experiments were conducted using a 1:10 tunnel model to quantify jet flame evolution, temperature rise, and radiation heat flux.
图文摘要
引言
锂离子电池（LIBs）通过提升能量密度、降低成本和延长使用寿命，在储能系统中发挥着不可替代的作用。随着电气化时代的到来，用于电动汽车（EVs）的动力锂离子电池正逐步取代传统化石燃料车辆。随着电动汽车数量的增加，与动力电池热失控（TR）相关的火灾事故更频繁地被报道[1][2]，这不仅造成严重人员伤亡，还导致财产损失。因此，亟需全面揭示动力电池的热失控特性，以更好地应用锂离子电池。
锂离子电池（LIBs）的热失控由热滥用、电滥用及机械滥用[3]（尤以热滥用为主）所扳机。暴露于热滥用条件下的LIBs在发生热失控时，会喷射高温有毒燃料费及可燃物质，这些物质扩散至相邻电池单元可能引发火灾。LIB负极通常采用石墨材料，而正极材料则呈现多样性，主要包括磷酸铁锂（LFP）、镍钴锰（NCM）和镍钴铝（NCA），这些材料差异导致热失控行为及后果存在显著不同。LFP化学体系通常表现出比NCM更温和的热失控响应[4][5]及更短的热失控触发时间[6]。NCM电池的最高温升速率和峰值温度显著高于LFP电池[7]。Said等人[8]发现钴酸锂(LCO)电池、NCM电池和LFP电池在热失控过程中可燃燃料费喷射量逐渐减少，安全性逐步提升。Wang等[9]研究了以LCO、NCM和LFP为正极材料的锂离子电池过充热失控特性。研究发现LFP电池的热失控（TR）风险最低，而NCM和LCO材料则表现出更严重的热失控倾向。黄等[10]进一步证实，NCM模块喷射的可燃气体质量显著高于LFP模块，且NCM单体电池热失控时的最高温度也超过LFP单体。贾等[11]研究了低压环境下LFP与NCM正极材料电池模块的热失控特性，发现环境压力降低时LFP电池的热失控时间缩短，而NCM电池的热失控时间反而延长。Schöberl等[12]比较了NCM-811与LFP模块的热失控特征，发现NCM-811模块的热失控反应速度是LFP模块的五倍，且NCM-811模块的最高温度更高。现有研究一致表明，在热失控过程中NCM电池比LFP电池表现出更高的峰值温度，同时LCO与NCM电芯均比LFP电芯具有更严重的热失控危害性。值得注意的是，当前对不同正极材料电池热失控特性的研究主要集中于开放环境或测试舱内，而针对隧道等长窄空间中其行为特征的探究仍存在显著不足。
显然，锂离子电池在密闭或半密闭空间[3]中会表现出不同的热失控特性，因为空气夹带和散热受到限制。Wang等[13]通过实验研究了密闭空间内两电池间的热失控传播行为，发现随着电池间距增加，第二块电池更难触发热失控。Wang等[14]研究表明，顶部限制板的约束作用通过减小顶部与电池间距，显著加速了磷酸铁锂电池的热失控传播过程。随着顶部与电池间距的减小，对流与辐射等热传递形式得到增强，热失控传播时间相应缩短[15][16]。倾斜顶棚在热失控过程中能提供更好的散热条件，当倾斜角超过10°时可有效缓解甚至完全阻止热失控传播[17]。通过增大空间限制程度，可以改变热传递模式和热失控行为特征。作为一种典型的狭长空间，隧道既限制了顶棚与两侧的散热，又阻碍了燃烧所需的空气卷吸，从而显著改变了热失控火灾的发展模式及其蔓延行为[18]。张等人[19]通过对比隧道与开放空间中的三元锂电池（TR）火灾，发现开放空间中的TR火灾燃烧阶段更短且火焰长度更大。朱等人[20]则对隧道环境下的火焰长度及顶棚最高温度进行了量化研究。研究团队还发现，在隧道环境中，NCM电池热失控（TR）的最高温度上限显著高于LFP电池[21]。欧阳等学者[3]针对隧道场景下的单体电池热失控行为展开研究，系统分析了加热模式[2]、荷电状态（SOC）及化学体系[22]对温度分布与辐射热流的影响规律。此外，通过探究典型隧道场景中电池模组间的热失控传播特性，为深入理解隧道内电动汽车火灾危害提供了理论依据[1]。隧道纵向通风[23]与湿度调控[24]可显著影响峰值温度及有毒气体浓度，进而优化水雾加湿系统的风速与质量流量，从而削弱火灾峰值温度及有毒气体浓度。然而，现有关于隧道内电池热失控（TR）的研究主要集中于普通单线隧道及不同荷电状态（SOC）或加热模式。实际上，城市交通系统中已建成众多由多分支结构组成的复杂隧道体系。在分支隧道中，锂离子电池热失控（TR）火灾风险、烟气运动及热量积聚现象尤为显著。随着高倍率充放电技术为缩短充电时间及满足高功率用电需求而日益普及，目前针对高倍率充放电条件下锂离子电池热失控行为的研究仍较为有限[25][26]，在分支隧道场景下的相关研究更是严重匮乏。因此，亟需深入理解分支隧道内高倍率充放电条件下锂离子电池热失控火灾危险性及烟气运动规律。
目前大多数关于锂离子电池热失控的研究主要集中于单线隧道构型，对分支隧道中热失控事件的行为特征尚未进行深入探索。此类分支结构会引发更复杂的流动动力学现象、非对称热积聚效应以及传统隧道研究未涉及的独特消防安全问题。针对这一研究空白，本研究旨在探究电池化学性质与高倍率充放电条件如何影响分支隧道环境下的热失控演变过程及其热效应。
本研究的具体目标包括：（1）表征采用LFP与NCM正极材料的锂离子电池在0.5C至4C充放电倍率下的热失控行为；（2）量化比例缩放的枝状隧道内热失控事件引发的顶板温度、表面温度演变及辐射热流密度分布；（3）建立隧道主线与匝道段顶板温度衰减的经验预测模型。