锂离子电池广泛应用于高功率场景。然而，运行状态下的电池模组可能发生热失控（TR），进而引发灾难性事故。本研究通过实验探究了放电倍率与热滥用对线性排列锂离子电池模组热失控传播特性的耦合影响。实验结果表明：终端剩余容量随放电倍率增大而降低，导致喷射行为从剧烈火焰喷射转变为浓密白烟释放；同时热失控起始温度升高而最高温度显著下降，最大温升速率从154.1°C/s降至38.4°C/s，表明热失控强度明显减缓。相应地，当放电倍率提升至3C工况时，热失控传播时间从779s延长至1163s。此外，传热机制研究表明，尽管焦耳热效应促进了早期热量积聚，但放电条件下放热强度的降低导致总体热量累积减少，而相邻电池间的热传导作用占据主导地位（约57%-73%）。这些发现有望为提升锂离子电池模块的安全应用与运行可靠性提供重要理论依据。

引言

随着全球向碳中和转型及交通电气化的快速发展，锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命和卓越效率，已成为电动汽车、便携式电子设备和储能系统中最具前景的能源之一[1][2][3]。随着锂离子电池普及程度的提升和应用领域的拓展，其安全问题日益凸显，尤其是在高功率和动态运行工况下[4][5][6]。例如，驾驶过程中涉及电动车辆的火灾事故报告显著增加，这些事故通常与热失控（TR）密切相关[7]。值得注意的是，对高比能量和倍率性能的追求虽然实现了优异的功率多样性和延长续航里程，但同时也加剧了热风险，成为其大规模应用和可靠运行的主要障碍。因此，有必要进一步研究放电条件下热失控的传播特性，以加强动态热风险管理并提升高功率电池系统的安全性。
近期相关研究广泛探讨了影响热失控（TR）传播的多种因素，包括扳机方法[8][9]、荷电状态（SOC）变化[10][11]、正极化学体系[12][13]以及电气配置[14][15]。这些研究普遍涉及内部短路的发生及短时间内大量热量的快速积聚。Feng等学者[16][17]通过实验分析与建模方法相结合，系统研究了锂离子电池模块中热失控的扳机机制。他们提出了一种新颖的能量释放图来阐释内部副反应动力学与机理，并基于锂离子电池的共性特征归纳出三个特征温度。电池荷电状态(SOC)是研究普遍考量的关键参数，较高的SOC水平意味着更大的储能容量，这会强化热失控(TR)强度与传播进程。当电池模组SOC从50%提升至100%时，传播时间明显缩短，表明更高SOC水平会显著加速失效进程[18]。此外，三元锂电池和磷酸铁锂电池是最常见的正极材料，它们表现出显著不同的热失控行为。镍钴锰（NCM）电池通常会出现更高的峰值温度并伴随明显的喷射火焰，而磷酸铁锂（LFP）电池失效时更常表现为大量白烟的产生[19][20]。在实际应用中，为达到所需的输出功率和能量，电池模块通常采用串并联配置，这种配置会直接影响电流路径、产热机制以及模块内部的热失控传播特性[21][22]。与串联及无连接的电池组相比，采用并联连接的电池模块显著缩短了热失控（TR）在相邻电池间的传播时间。这种现象可归因于：初始失效电池作为电阻从剩余电池中汲取放电电流，产生大量焦耳热并将升高的热流密度传递至邻近电池，从而加速并强化了热失控传播过程[23]。综上所述，上述相关研究为理解热失控传播特性与机制提供了理论基础。
为满足电动汽车和大规模能源系统的高功率应用需求，锂离子电池常需在高倍率放电工况下运行，这对其热安全性和电化学性能提出了严峻挑战[24][25]。在高倍率放电过程中，锂离子电池内部会发生多重耦合的电化学反应过程，包括快速锂⁺电解液与固态电极颗粒的嵌入/脱嵌及输运行为[5]。Lyu等[26]建立了电热耦合模型，用于分析锂离子电池模组中极耳过热触发的热失控蔓延现象。其研究结果表明：热失控行为显著受充放电倍率(C-rate)、绝缘条件及极耳连接方式的影响。具体而言，在3C倍率下最大产热量达到约0.98 kJ，揭示出极耳过热相比均匀加热场景可能成为更关键的thermal runaway扳机因素。Lai等[27]研究发现，当放电倍率从1 C提升至4 C时，最高温度达到96.6 °C，表明更高的放电速率会加剧热不稳定性并加速电池退化过程。Zhou等[28]研究了高倍率放电条件下锂离子电池的热行为和结构演变，证实提高放电速率会显著加速产热并导致电极材料严重劣化。然而，在高倍率运行条件下，内部产热量的大幅增加与加速老化效应会严重削弱锂离子电池的稳定性。Lu等[4]研究表明，对相邻电池施加紧急高倍率放电可有效降低热失控严重程度，并通过减弱喷射火焰强度与峰值表面温度延缓其传播，而荷电状态（SOC）主导的化学副反应产热则成为整体热量释放的主要来源。类似地，Hu等[7]发现放电过程显著影响锂离子电池热失控(TR)的起始温度、产热行为及传播特性。Ouyang等[29]建立了电化学-热耦合模型以探究放电倍率对热失控的影响，其研究表明放电工况会加剧极化热与SEI膜分解反应，导致热失控起始时间呈线性缩短，并引发显著的电压崩塌现象。然而在高倍率放电条件下，电池容量衰减会伴随剧烈焦耳热产生，这可能进一步加速产热过程并强化潜在的热机制。尤其当叠加外部加热条件时，这些效应将导致复杂的热失控传播特性和热量累积过程。
尽管先前研究已对热失控（TR）传播特性进行了广泛探讨，但这些工作主要集中于稳态条件或单体电池层面。表1汇总了当前关于TR传播的研究进展。本研究系统探究了线性排列锂离子电池模组在放电与外部加热耦合作用下的TR传播特性。首先基于实验观测数据，揭示了放电倍率对TR现象的影响机制。此外，本研究在无外部加热条件下考察了单体电池的温度变化，进而对热失控（TR）临界温度、时间及电压变化进行对比分析。最后通过量化计算评估了热失控传播全过程的热量累积，并确定了相邻电池间的传热贡献比。该研究成果为理解电池模组热失控传播机制提供了实验依据，同时为高功率应用场景下的热安全设计提供了指导。

上一篇：roadhawk蓄电池共轭多孔聚合物中协同双活性位点工程实现超高倍率长寿命锂离子电池
下一篇：roadhawk蓄电池设计至关重要：电动汽车电池组可拆卸设计对环境与循环性影响