在各种恶劣条件下，锂离子Fullriver蓄电池的热失控研究：综述
2026-07-25 10:41:59 点击：次
随着全球向低碳能源结构的转型，电动汽车（EV）和电池实现了快速增长。然而，由于极端温度、碰撞和过载等恶劣环境下，因热失控（TR）导致的动力锂离子电池（LIB）安全问题，严重限制了其大规模应用。本文综述了关于锂离子电源在多种单电池和耦合滥用场景下TR特性的实验和计算模拟研究。随后，系统总结了基于数据驱动、模型驱动和混合方法的最新TR预测技术进展，并对其优缺点进行了比较分析。随后，系统地总结了TR对策，按具体滥用场景类别组织。最终，基于当前TR电池研究进展和未来发展趋势，提出了研究建议。这项工作将为推进在恶劣条件下的电力电池热安全研究提供理论指导和工程应用价值。
;虐待
环境
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热失控
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热安全
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热失控扩散
近年来，关于电池TR的研究形成了一个多维技术体系。在行业需求方面，高能量密度电池（如高镍三元电池NCM811和硅基阳极）的普及进一步加剧了TR的风险。例如，NCM811电池的能量密度可达300 Wh/kg，但其TR触发温度比磷酸铁锂（LFP）电池低约40°C[1]。此外，在大型应用场景中，如储能电站，电池群的“热电耦合传播”特性意味着单个电池故障可能触发级联TR[2]。在研究进展方面，对典型虐待场景机制的探索取得了分阶段的成果。针对热滥用：当受到热滥用时，电池阳极表面的固态-电解质界面（SEI）层发生初级分解，暴露出石墨，随后与电解质发生放热反应。这会启动自主温度升高。渐进加热会引发电极-电解质反应加剧、分离器熔毁以及内部短路形成。随后阴极分解释放氧气，推动剧烈的氧化电解质反应。这些相互放大的放热相最终推动温度超过800°C。 三种特征温度（{T1， T2， T3}）在锂离子电池TR期间是操作定义的。T1被认为是异常热量产生开始的初始温度阈值，T2确定触发不可逆TR的临界温度点，而T则3表示灾难性失效过程中达到的峰值温度。T 之间的热特征1以及T2显示阳极反应主要产生热量，阴极热输入几乎可以忽略不计。SEI层不稳定始于T附近1并允许锂电解质界面交互反应。T字体2-T3温度区间被加速阴极-阳极氧化还原耦合主导[3]。关于电气滥用：在过载条件下，阴极过度脱晶导致结构坍塌，而阳极表面的锂金属沉积会产生树突，穿透分离器，诱发内部短路（ISC）。该过程触发电解质氧化和分解，伴随气体的演变和压力积累，从而加剧放热反应。在过放电情景中，阳极铜集电极会溶解，导致容量降级和极化加剧。随之而来的热量积累使温度升至T1，启动自发热反应，激活TR链机制。在高速操作中，锂离子扩散速率不足会在电极表面和体积相之间形成浓度梯度，产生扩散控制的偏振，放大热量产生。同时，阳极界面局部的高电流密度会在SEI层内引发机械应力积累，最终导致断裂。相对于电流需求的锂嵌入动力学延迟，进一步促进了金属锂的沉积，形成树突，通过穿透破坏分离器完整性[4,5]。对于机械虐待：在外部机械应力（如碰撞、压缩、穿刺）下，电池内部结构会因分离器破裂、电极变形或集电器组件错位而受到机械破坏。这些结构失效会引发ISC，产生大量焦耳热量，进而推动温度快速上升。高温会引发电解质分解，伴随气体逸散，随后阴极材料分解并伴随释放氧气。该序列引发一系列放热链反应，最终传播全规模TR[6]（见图4、图5、图6、图7、图8、图9.T、图10）。
然而，现有研究主要聚焦于个体滥用条件下的热行为分析，而跨尺度TR机制在耦合滥用场景（如机械-热协同损伤和过载-短路复合失效）方面仍缺乏系统性理解。TR预警模型依赖简化假设（如均质材料和稳态热传递），这使得难以描述电池老化和非均匀电荷状态（SOC）分布等实际因素的影响。此外，实验方法和数值模拟的整合与验证不足，对TR预测模型的鲁棒性和普遍性构成了挑战[7]。此外，现有文献综述通常仅关注实验或数值研究，而未系统性地考察各种滥用条件在实验研究和数值模拟中的耦合。此外，他们未能基于此对TR预防和抑制的前沿方法做出批判性评估。为解决上述问题，本文从电力电池滥用状况的分类特征开始，系统回顾了典型场景的实验研究——包括机械滥用（碰撞、挤压、穿透）、电气滥用（过充/过放电、短路、快速充放电）和热滥用（高温环境、局部过热、低温环境）——以及耦合滥用场景。报告还介绍了在这三种滥用条件下TR的模拟研究，总结了近年来基于不同驾驶模式的TR预测方法，并概述了在不同滥用条件下应对TR的措施，同时比较了其优缺点。最后，论文以总结总结并提出了未来电池TR研究的五项建议。本研究为希望理解电力电池热管理领域前沿研究的读者提供了重要帮助，并为电池热管理未来发展提供了实用指导（见图10、图11、图12、图13、图14、图15）。
关键词
为锂离子电池供电;虐待
环境
;
热失控
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热安全
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热失控扩散
简介
受全球脱碳倡议和“双碳”政策框架的推动，作为电动汽车（EV）和可再生能源储能系统（ESS）关键部件的动力电池，市场正呈指数级增长。根据国际能源署（IEA）的数据，预计到2030年，全球电动汽车库存将超过3亿辆，电池总需求将超过3500吉瓦时。与此同时，中国和欧盟等主要经济体通过欧盟的“2035年内燃机汽车销售禁令”和中国的“新能源汽车产业发展规划（2021-2035）”等政策法规加快了电气化进程。然而，电力电池在极端条件下的热安全已成为限制行业发展的重要风险。美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）的统计数据显示，2020年至2023年间，全球因电池热失控（TR）引发的电动车火灾事故年均增长率达到27%，其中机械冲击、过载和TR传播分别占41%、33%和26%。这些事故不仅威胁用户安全，也导致公众对电动汽车的信任危机。因此，澄清电力电池在恶劣条件下的热失效机制，并开发多级TR预防技术，已成为学术界和业界亟需解决的核心问题（见图1、图2、图3）。近年来，关于电池TR的研究形成了一个多维技术体系。在行业需求方面，高能量密度电池（如高镍三元电池NCM811和硅基阳极）的普及进一步加剧了TR的风险。例如，NCM811电池的能量密度可达300 Wh/kg，但其TR触发温度比磷酸铁锂（LFP）电池低约40°C[1]。此外，在大型应用场景中，如储能电站，电池群的“热电耦合传播”特性意味着单个电池故障可能触发级联TR[2]。在研究进展方面，对典型虐待场景机制的探索取得了分阶段的成果。针对热滥用：当受到热滥用时，电池阳极表面的固态-电解质界面（SEI）层发生初级分解，暴露出石墨，随后与电解质发生放热反应。这会启动自主温度升高。渐进加热会引发电极-电解质反应加剧、分离器熔毁以及内部短路形成。随后阴极分解释放氧气，推动剧烈的氧化电解质反应。这些相互放大的放热相最终推动温度超过800°C。 三种特征温度（{T1， T2， T3}）在锂离子电池TR期间是操作定义的。T1被认为是异常热量产生开始的初始温度阈值，T2确定触发不可逆TR的临界温度点，而T则3表示灾难性失效过程中达到的峰值温度。T 之间的热特征1以及T2显示阳极反应主要产生热量，阴极热输入几乎可以忽略不计。SEI层不稳定始于T附近1并允许锂电解质界面交互反应。T字体2-T3温度区间被加速阴极-阳极氧化还原耦合主导[3]。关于电气滥用：在过载条件下，阴极过度脱晶导致结构坍塌，而阳极表面的锂金属沉积会产生树突，穿透分离器，诱发内部短路（ISC）。该过程触发电解质氧化和分解，伴随气体的演变和压力积累，从而加剧放热反应。在过放电情景中，阳极铜集电极会溶解，导致容量降级和极化加剧。随之而来的热量积累使温度升至T1，启动自发热反应，激活TR链机制。在高速操作中，锂离子扩散速率不足会在电极表面和体积相之间形成浓度梯度，产生扩散控制的偏振，放大热量产生。同时，阳极界面局部的高电流密度会在SEI层内引发机械应力积累，最终导致断裂。相对于电流需求的锂嵌入动力学延迟，进一步促进了金属锂的沉积，形成树突，通过穿透破坏分离器完整性[4,5]。对于机械虐待：在外部机械应力（如碰撞、压缩、穿刺）下，电池内部结构会因分离器破裂、电极变形或集电器组件错位而受到机械破坏。这些结构失效会引发ISC，产生大量焦耳热量，进而推动温度快速上升。高温会引发电解质分解，伴随气体逸散，随后阴极材料分解并伴随释放氧气。该序列引发一系列放热链反应，最终传播全规模TR[6]（见图4、图5、图6、图7、图8、图9.T、图10）。
然而，现有研究主要聚焦于个体滥用条件下的热行为分析，而跨尺度TR机制在耦合滥用场景（如机械-热协同损伤和过载-短路复合失效）方面仍缺乏系统性理解。TR预警模型依赖简化假设（如均质材料和稳态热传递），这使得难以描述电池老化和非均匀电荷状态（SOC）分布等实际因素的影响。此外，实验方法和数值模拟的整合与验证不足，对TR预测模型的鲁棒性和普遍性构成了挑战[7]。此外，现有文献综述通常仅关注实验或数值研究，而未系统性地考察各种滥用条件在实验研究和数值模拟中的耦合。此外，他们未能基于此对TR预防和抑制的前沿方法做出批判性评估。为解决上述问题，本文从电力电池滥用状况的分类特征开始，系统回顾了典型场景的实验研究——包括机械滥用（碰撞、挤压、穿透）、电气滥用（过充/过放电、短路、快速充放电）和热滥用（高温环境、局部过热、低温环境）——以及耦合滥用场景。报告还介绍了在这三种滥用条件下TR的模拟研究，总结了近年来基于不同驾驶模式的TR预测方法，并概述了在不同滥用条件下应对TR的措施，同时比较了其优缺点。最后，论文以总结总结并提出了未来电池TR研究的五项建议。本研究为希望理解电力电池热管理领域前沿研究的读者提供了重要帮助，并为电池热管理未来发展提供了实用指导（见图10、图11、图12、图13、图14、图15）。