王庭华，翟宏举，秦 鹏，吴静云，田方媛，郭鹏宇，王青松*

(1.国网江苏省电力有限公司经济技术研究院，南京，210008；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026；3.国网江苏省电力有限公司，南京，210024)

0 引言

锂离子电池具有高能量密度、长循环寿命以及对环境无污染等优点被广泛应用于电动汽车、电力储能等领域[1]。在锂离子电池的应用过程中由于机械滥用、电滥用及热滥用等因素触发热失控而引起的火灾爆炸事故频频发生，造成大量人员伤亡和财产损失，使得锂离子电池的安全问题得到了越来越多研究者的关注。

近年来，国内外研究者针对锂离子电池在不同工况条件下的热失控及其传播进行了大量的实验研究。单体电池热失控研究方面，Mao等[2]和Liu等[3]针对大型磷酸铁锂电池在半开放空间中开展热滥用触发热失控的实验研究，揭示了单体电池热量释放、火焰特性等热失控行为特征。Bugryniec等[4]在绝热加速量热仪(ARC)与烘箱等完全密闭的空间中开展了不同荷电状态(SOC)下磷酸铁锂电池热失控特性的实验研究。单体电池热失控行为的研究为后续热失控传播的研究提供了基础。在热失控的传播研究方面，Gao等[5]在防爆箱体空间内开展了三元软包电池模组在不通电连接方式下的热失控传播研究。Huang等[6-8]在半开放空间中对不同材料体系电池的热失控传播过程进行了对比研究，并且针对三元电池模组在不同滥用触发条件和电连接方式下的热失控传播差异进行了分析。2020年，Srinivasan等[9]首次在开放空间中对18650电池热失控喷出的高温有机溶剂对热失控传播的影响进行了研究。另外，也有研究者从热失控传播阻隔抑制[10-12]、传热过程分析[13]、电池排列方式对热失控传播影响[14-15]和热失控传播路径[16]等角度对热失控传播进行了相关研究，但大多限于开放空间中的实验研究。综上所述，目前大多数电池热失控及其传播方面的研究均在非实际应用场景下进行，而针对锂离子电池在实际应用场景下，即电池模组箱体内热失控及其传播行为的相关研究还比较缺乏。

本文选取储能用86 Ah方形磷酸铁锂电池作为研究对象，对电池在模组箱体空间内和开放空间中的热失控及其传播行为进行了实验研究。实验箱体采用储能系统中实际应用的模组箱体，在整个实验过程中对电池表面温度、环境温度和电池热失控行为进行实时监测记录。根据实验，对热失控传播过程中电池间热量传递进行了定量分析，并对比分析了开放空间与模组空间中锂离子电池的热失控及其传播的实验结果，以期为电池模组安全设计和热失控传播阻隔措施提供一定参考。

1 实验

1.1 实验对象

本研究以储能用86 Ah磷酸铁锂(LiFePO4)电池为实验对象，如图1所示，电池的基本参数如表1所示。实验前使用新威电池测试仪(CT-4008-10V20A-NTFA)将实验电池先以0.2 C倍率恒流放电至截止电压2.5 V，然后以0.2 C恒流3.65 V恒压充电至100% SOC，截止电流设置为0.01 C。充满电的电池在室温条件下搁置24 h，确保电池稳定后进行实验。

表1 实验电池基本参数

1.2 实验方案

图2 电池燃烧测试实验平台示意图Fig. 2 Battery combustion test bench

图3 电池实验布置图Fig. 3 The experimental setup diagrams

图4 实验布置示意图Fig. 4 The schematic diagram of experimental setup

2 实验结果

2.1 模组箱体内单体电池实验

2.1.1 电池热失控行为

模组箱体内单体电池的典型热失控行为特征如图5所示，根据电池热失控产气现象可以将整个实验过程分为以下3个阶段：

(1)加热反应阶段。开启电源，使用500 W加热板对电池前表面进行持续加热，在加热一段时间后可以看到有极少量的白色烟气从模组箱体内弥散出来，如图5 (b)所示，这部分烟气是加热板加热电池外表面的塑料封膜产生的。此阶段中，电池在加热板的加热作用下温度不断升高，在达到其内部反应温度后，电池内部自产热、产气反应也随之开始进行[18]，但此阶段电池内部压力未达到安全阀设计阈值，因此电池无明显热失控行为。

图5 单体电池加热热失控过程Fig. 5 The recorded thermal runaway process of the single cell test

(2)热失控剧烈反应阶段。随着加热板的持续加热，电池温度不断升高，电池内部产热、产气反应也不断加剧，电池内部积聚的气体不断增多、压力不断增高。最终导致电池安全阀在内部气体压力的作用下打开，电池内部积聚的大量气体在短时间内迅速喷射释放并扩散至整个燃烧室，整个磷酸铁锂电池热失控过程中没有出现燃烧现象，如图5 (c～f)所示。

(3)热失控停止阶段。随着电池内部反应物的持续消耗，电池所产生的烟气不断减少，直至电池热失控产气完全停止，实验结束，如图5 (g～h)所示。

2.1.2 实验温度分布

单体电池实验过程中，电池表面测点温度变化如图6所示。由于电池内部反应不均匀导致电池加热面背面三个测点温度存在一定差异，本文取三个测点温度的平均值作为背面的特征温度。电池在被加热至993 s时安全阀打开，并在短时间内喷射出大量高温白色烟气，安全阀打开瞬间电池加热面温度为422.8 ℃，背面特征温度为138.9 ℃。由于大量高温气体的排出，电池温度在安全阀打开后有一段小幅的下降，其中加热面温度在安全阀打开后的48 s内下降至358.8 ℃，背面特征温度在18 s内下降至133.2 ℃，温降差异是由于电池内部高温电解液的分布不均匀导致的[2]。随着电池内部产热反应的不断加剧，电池表面各测点温度均出现激增，加热面温度在1 296 s达到峰值536.7 ℃，背面特征温度在1 340 s达到峰值345.1 ℃，此时关闭加热板停止加热，电池进入自然冷却状态。

图6 实验中电池表面温度变化Fig. 6 The temperature curves for the surface of battery

图7 实验中电池模组箱体内温度变化Fig. 7 The temperature curves of the battery module space

模组箱体内三个测点温度及箱体内平均温度变化情况如图7所示。可以看到，在993 s电池安全阀打开前，电池正上方的温度测点T5在持续上升，这是由加热板加热电池表面塑料封膜产生的热烟气导致的。993 s电池安全阀打开，温度测点T5与T6迅速响应，并在极短时间内达到峰值温度139.8 ℃和100.4 ℃，而位于模组箱体底部的温度测点T7，在安全阀打开1 643 s后才缓慢上升至最高温度40 ℃。实验中T5与T6峰值温度差为39.4 ℃，T5与T7峰值温度差为99.8 ℃，模组底部与顶部温度测点的最大温差达到了118.4 ℃，整个实验过程中模组箱体内的最高平均温度为85.5 ℃。模组箱体内沿高度方向测点温度差异性较大，这是由于电池产生的热烟气从安全阀喷出时主要聚集在模组箱体的中上部，在产气喷出量不断增多并逐渐扩散至整个模组箱体时，位于箱体底部的温度测点T7才出现响应。

2.2 热失控传播实验对比分析

2.2.1 热失控行为分析

图8 电池传播实验Fig. 8 The propagation tests process

图9 热失控后电池模组Fig. 9 The battery module after thermal runaway

2.2.2 温度响应及热量传递分析

图10 传播实验中温度变化曲线Fig. 10 The temperature curves of propagation experiments

图电池热失控影响下电池上表面及环境测点峰值温度Fig. 11 The maximum temperature of the cell’s upper surface and environment under the effect

图12 (a) 电池间传热路径示意图 (b) 实验传热结果Fig.12 (a) The schematic diagram fo heat transfer paths between cells (b) Experimental results of heat heat transfer

(1)

式中，q为热流密度，W·m-2；λ为导热系数，W·m-1·K-1；δ为厚度，m；h为表面传热系数，W·m-2·K-1；σ为Stefan-Boltzmann常数，5.67×10-8W·m-2·K-4；ε为表面发射率；A为表面积，m2；F为视角系数。

Q=cMΔT

(2)

式中，Q为热量，J；c为比热容，J·g-1·K-1；M为质量，g；ΔT为温升，K。

表2 传播实验结果

3 结论

本文针对86 Ah储能用磷酸铁锂电池在开放空间及模组箱体空间内的热失控及其传播行为进行了实验研究，得到的主要结论如下：

(1)本研究所用磷酸铁锂电池具有较高安全性，电池热失控过程无燃烧爆炸现象发生，但会产生大量的高温白色烟气并伴随电解液飞溅。电池热失控过程可以分为三个阶段，且电池热失控后，模组箱体内部温度分布会受到热失控高温烟气的影响而在沿高度方向出现明显温度梯度，模组箱体底部与顶部温度测点的最大温差可达118.4 ℃。

(3)模组箱体空间内有限的氧气供给会减缓热失控电池内部的放热反应进程，对热失控传播起到减速作用。模组箱体空间实验中电池热失控峰值温度普遍低于开放空间内实验33 ℃～145 ℃，且热失控完全传播时间(979 s)比开放空间实验(766 s)滞后了213 s (28%)。