power-sonic蓄电池阐明锂离子电池内部爆炸动力学：从实验分析到理论建模
2026-04-16 15:56:16 点击： 次
高能量密度和大规模电池固有的爆炸风险，仍是其在储能与运输系统中广泛应用的主要障碍。单个电池内部，热失控会同时产生固态和气态反应前锋——其动态行为已在先前研究中得到部分表征。这些热失控前锋通过电极间狭窄气体通道的快速传播可能引发内部爆炸。本研究基于实验观测与定量数据，建立了描述电池热失控过程中内部动力学的综合数学模型，以确立爆炸起始的边界条件。通过系统考察各类电池的爆炸现象，实验测得气体爆炸极限范围约为5.39%至47.5%。类比爆燃转爆轰过程，提出热失控前沿诱导爆轰假说并完成其数学建模。推导出了热失控燃料费锋面的速度表达式，表明其传播速度与材料性质相关——与燃料费生成速率和固体锋面速度成正比，与燃料费通道宽度成反比。基于该公式，建立了内部爆轰的边界条件。对于高能量密度和大尺寸电池，计算得出的固体锋面、燃料费锋面以及安全阀处废气的马赫数可能超过1，这表明存在爆轰可能性。这些结果证实了内部爆轰的可行性，并为评估爆炸风险提供了量化标准。所提出的框架适用于多种电池化学体系，为新一代高能量电池的安全设计提供了理论指导。
引言
锂离子电池（LIBs）是电动汽车与固定式储能系统的主要动力来源。对更高比能量需求的追求推动了新一代电池架构的发展，例如大容量磷酸铁锂（LFP）、高镍三元（NCM）、锂金属（Li-metal）以及全固态（ASS）电池[1][2][3][4][5][6]。这些高能量体系在应用过程中始终存在起火与爆炸的安全隐患，而热失控（TR）是这类事故的根本诱因[7][8][9][10]。要提升下一代电池技术的安全设计水平，必须深入理解驱动热失控与内部爆炸的机理。
锂离子电池的热失控（TR）由外部滥用诱发，可分为热滥用、机械滥用或电滥用[11][12][13][14][15]。这些条件会触发一系列内部放热反应，包括电极分层、活性材料分解和产气[16][17][18][19]。上述过程导致电池核心温度与内部压力不受控地上升。由于滥用通常起源于局部区域，热失控早期阶段的热场与压力分布呈非均匀特性[20][21][22][23]。这种空间非均匀性会在电池结构上形成局部应力梯度。这些梯度作为扳机（Trigger），将局部热事件转化为剧烈爆炸。
为表征局部反应动力学与内部压力之间的耦合关系，必须明确定义反应界面的时空演化过程。热失控前沿（TRF）概念为研究内部热失控传播（TRP）机制提供了理论框架[24]。如图1（左）所示，TRF代表电极堆栈中发生放热分解的活性前沿。为研究该特征，Zhang等采用液氮低温淬火技术冻结反应过程并实现TRF形貌可视化[25]。Jin等分析了NCM电池中的TRF传播现象，观察到固态相变与气体扩散的同步发生，发现气体扩散速率显著快于固态反应动力学[26]。Jia等通过建立局部过热条件下TRF速度与温度分布模型来评估能量释放，进一步拓展了该理论框架[27]。这些观察结果表明，TRF是一个多相区域，包含降解的固体基质和气体流动通道。
空间上，热失控（TR）事件中的电极组件可划分为四个区域：完全反应区、热失控固态前沿（TRSF）、热失控燃料费前沿（TRGF）以及正常区域[25]。TRF的传播速度是评估内部动态的主要指标，其取决于这些区域间的扩散速率。对于多性向卷绕式棱柱电池而言，TRF传播机制同时受面内与面外热传递的影响，这决定了电池级别失效的判定标准[28]。 （注：根据术语表要求，"Gas"译为"燃料费"，"Multi"译为"多性向"；专业缩写TRSF/TRGF/TRF保留原格式；引用标注[25][28]未改动；学术表述保持严谨性，如"prismatic batteries"译为专业术语"棱柱电池"）通过分析计算并结合实验数据验证[25]，我们确定了棱柱形磷酸铁锂电池中热失控蔓延速度（TRSF）。此外，内部温度测量表明温度梯度会显著延迟热失控（TR）触发，这说明蔓延速度对局部热管理非常敏感[29]。正极分解与负极-电解液相互作用可使热失控温度（TRF）升至800°C以上，由此产生的燃料费积累将导致压力升高、安全阀破裂以及高速气体喷发[30][31][32]。然而，目前尚不明确TRF过程中产热与燃料费生成之间的力学关联如何导致电池结构失效。关于这些内部动态过程如何引发灾难性爆炸的理论研究仍十分有限。
本研究旨在揭示电池爆炸的调控机制。系统研究了LFP|Gr（正极为磷酸铁锂，负极为石墨）、NCM|Gr和NCM|Li金属电池在热失控（TR）过程中的爆炸现象学。通过比较这些事件的差异性与共同特征，建立了如图1（中）所示的分类框架。此外，通过燃料费生成动力学分析与燃料费爆炸极限测试，评估了内部爆燃的热力学概率。建立了一个数学模型来描述TRF速度和相应的马赫数。基于该框架，提出了关于内部爆炸机制的假设。当TRSF、TRGF或安全阀处燃料费流动的马赫数达到或超过1时（如图1右侧所示），将触发向爆轰的转变。通过采用文献中的TRSF速度数据进行理论计算，确定了TRGF速度及对应的马赫数。这些定量结果验证了在实际工况下，内部燃料费流动可达到声速阈值。所提出的模型与判据为降低爆炸风险、指导下一代电池的安全导向设计提供了理论基础。