Trojan蓄电池不同预紧力作用下过充诱发电池热失控的表面应力分布与燃料费动力学行为研究
2026-04-16 10:11:22 点击：次
在大规模储能系统中，磷酸铁锂（LFP）电池通常会在一定预紧力下组成电池包。然而，预紧力对电池安全性的影响尚不明确。本研究对50 Ah LFP电池施加了四种预紧力（2、4、6和8 kN），并对其热失控行为、燃料费排放及表面应力进行了实验研究。本实验的创新点在于采用了一种新型压敏薄膜传感器，用于量化不同预紧力下LFP电池表面应力的变化。研究表明，在过充电过程中，表面扩展应力并非均匀变化，其变异主要集中于中心区域。对该中心区域应力变化的进一步分析表明，预紧力较低时会导致更显著的应力波动。在2kN预紧力条件下，表面平均应力变化高达782.199kPa。当预紧力增大时，电池表面应力变化范围降至约400-500kPa，从而减轻对相邻电池的负面影响。这些研究成果为优化电池模组结构设计提供了关键实验依据。
随着全球能源危机与环境污染问题日益加剧，世界各国正被迫加速发展清洁能源。在众多清洁能源解决方案中，锂离子电池（LIBs）因其卓越的性能特性——包括高能量密度、长循环寿命、快速响应速率以及环境友好性——已成为领先技术。这些优势使锂离子电池成为便携式电子设备、电动汽车（EVs）和储能系统（ESS）不可或缺的核心组件。然而，随着锂离子电池（LIBs）应用的持续扩大，其安全问题日益凸显，特别是热失控（TR）现象的频繁发生[1]。该现象可由过充[2][3]、过热[4][5]、机械碰撞[6][7]等多种因素触发，不仅会导致电池性能显著衰减，还可能引发火灾、爆炸等严重事故[8][9]。近年来，储能系统（ESS）因热失控引发的火灾爆炸事故频见报道，对人身安全和财产安全构成严重威胁[10]。
预紧力是指施加在LFP电池整个表面的力，主要应用于将单体电池组装成ESS大型电池组的过程中[11][12][13]。LFP电池组在承受特定预紧力的情况下进行正常充放电循环[14]。不同预紧力会影响正常使用时的循环性能，例如Gert等研究者发现...[15]通过对硅负极锂离子电池施加外部机械压力进行容量测试，发现当电池被夹持时，其放电容量显著提高了10%–20%。类似地，Niu等[16]研究了不同预紧力对电池循环性能的影响，确定了3000 N的最佳预紧力，该预紧力即使经过1000次循环后仍能有效保持高容量和化学稳定性。Li等[17]综述了锂离子电池与锂金属电池的电化学-机械耦合行为，强调外部压力对电池性能影响的重要作用。除循环性能外，预紧力亦被证实是影响电池运行安全性的关键因素。热失控（TR）频发仍是储能系统（ESS）固有的技术挑战，并已成为锂离子电池（LIB）技术发展的重要障碍[18]。既往研究已探讨外部机械约束对热失控行为的影响，包括泄压特性、燃烧行为及气体释放过程[19][20][21]。然而这些研究主要集中于软包电池与富镍体系（如NCM三元材料），对方形磷酸铁锂（LFP）电池的关注相对有限。此外，尽管预紧力在实验研究中常被用于限制热失控（TR）过程中的电池膨胀[22][23][24]，但其数值通常未被系统量化或作为关键变量处理，导致对其在热失控演变中作用的理解仍不完整。更重要的是，预紧力对TR过程中气体生成与喷射行为的影响尚未充分阐明[25]，特别是在过充诱发条件下。不同预紧力作用下表面应力分布与气体动力学行为之间的耦合关系目前仍属研究空白。为填补这一空白并量化预紧力的影响，本研究系统考察了不同预紧力对大尺寸方形磷酸铁锂（LFP）电池热失控、气体排放、膨胀行为及表面应力的作用机制。本研究的主要创新点与贡献如下：
本研究通过详细分析预紧力对大型LFP电池的泄压行为、扩展包特性及表面应力的影响，弥补了现有研究的不足。此外，该研究阐明了不同预紧力作用下安全阀开启前电池表面的应力分布规律。这些发现不仅提供了实验观测数据，更揭示了非均匀压力分布与单体膨胀会动态改变电池模组内部的接触条件及界面热阻。这表明在热失控传播模拟中，机械边界条件与接触热阻（传统模拟常假定为恒定参数）应被视为压力依赖且随时间演变的变量。该发现可为电池系统热失控传播的精确建模提供理论支撑。
引言
预紧力是指施加在LFP电池整个表面的力，主要应用于将单体电池组装成ESS大型电池组的过程中[11][12][13]。LFP电池组在承受特定预紧力的情况下进行正常充放电循环[14]。不同预紧力会影响正常使用时的循环性能，例如Gert等研究者发现...[15]通过对硅负极锂离子电池施加外部机械压力进行容量测试，发现当电池被夹持时，其放电容量显著提高了10%–20%。类似地，Niu等[16]研究了不同预紧力对电池循环性能的影响，确定了3000 N的最佳预紧力，该预紧力即使经过1000次循环后仍能有效保持高容量和化学稳定性。Li等[17]综述了锂离子电池与锂金属电池的电化学-机械耦合行为，强调外部压力对电池性能影响的重要作用。除循环性能外，预紧力亦被证实是影响电池运行安全性的关键因素。热失控（TR）频发仍是储能系统（ESS）固有的技术挑战，并已成为锂离子电池（LIB）技术发展的重要障碍[18]。既往研究已探讨外部机械约束对热失控行为的影响，包括泄压特性、燃烧行为及气体释放过程[19][20][21]。然而这些研究主要集中于软包电池与富镍体系（如NCM三元材料），对方形磷酸铁锂（LFP）电池的关注相对有限。此外，尽管预紧力在实验研究中常被用于限制热失控（TR）过程中的电池膨胀[22][23][24]，但其数值通常未被系统量化或作为关键变量处理，导致对其在热失控演变中作用的理解仍不完整。更重要的是，预紧力对TR过程中气体生成与喷射行为的影响尚未充分阐明[25]，特别是在过充诱发条件下。不同预紧力作用下表面应力分布与气体动力学行为之间的耦合关系目前仍属研究空白。为填补这一空白并量化预紧力的影响，本研究系统考察了不同预紧力对大尺寸方形磷酸铁锂（LFP）电池热失控、气体排放、膨胀行为及表面应力的作用机制。本研究的主要创新点与贡献如下：
- (I)
Overcharge tests were conducted on 50 Ah LFP batteries under 2, 4, 6, and 8 kN. During these tests, the gas temperature, surface temperature, venting and expansion behaviors, and surface stresses were recorded to quantitatively analyze the effects of preload force on the thermal, mechanical and chemical characteristics of LFP batteries. - (II)
The study elucidates the surface stress variation patterns of LFP batteries during the TR process induced by overcharging. The expansion stress was found to be non-uniformly distributed across the battery surface, with stress variations under different preload forces primarily concentrated in the central rectangular region. Lower preload forces resulted in more significant stress variations, with the surface average stress variation reaching up to 782.199 kPa under 2 kN.
本研究通过详细分析预紧力对大型LFP电池的泄压行为、扩展包特性及表面应力的影响，弥补了现有研究的不足。此外，该研究阐明了不同预紧力作用下安全阀开启前电池表面的应力分布规律。这些发现不仅提供了实验观测数据，更揭示了非均匀压力分布与单体膨胀会动态改变电池模组内部的接触条件及界面热阻。这表明在热失控传播模拟中，机械边界条件与接触热阻（传统模拟常假定为恒定参数）应被视为压力依赖且随时间演变的变量。该发现可为电池系统热失控传播的精确建模提供理论支撑。