《Process Safety and Environmental Protection》：Mitigating thermal runaway propagation in lithium-ion batteries by spacing and cooling together with emergency discharging
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热失控传播抑制机制研究，分析电池间距、主动风冷及紧急放电对锂离子电池热失控传播（TRP）的协同作用，量化3mm间距阻断TRP、风冷触发温度阈值及放电率对热量释放的影响，建立工程参数与安全阀触发温度模型。
作者：卢昌|胡冰瑶|陈梦宇|魏东阳|王健|潘荣坤|邵向宇
研究单位：中国河南省焦作市河南理工大学天然气地质与气体控制国家重点实验室培养基地
摘要
为了研究锂离子电池（LIB）模块系统中热失控传播（TRP）的工程安全挑战，本研究系统分析了电池间距布置、主动气流冷却和紧急放电对TRP的抑制效果，并明确了每种措施适用的工程参数和协同预防机制。结果表明，3毫米的电池间距可以有效阻止TRP的发生；在本研究的测试范围内，120°C是气流冷却的触发阈值。温度是TRP的核心预警参数：当电池荷电状态（SOC）为100%时，温度达到125°C时电池会开启安全阀并进入TRP阶段；而温度低于100°C时电池相对安全。Q_s占总热量的60%–77%，紧急放电通过降低Q_s来减少电池SOC并切断核心热源。3安培的放电电流与气流冷却的协同效应即使在1毫米的紧密电池间距下也能防止TRP的发生。电池质量损失与TR的严重程度呈显著正相关。本研究建立的量化参数和综合预防策略将为工业LIB模块系统的模块设计、运行安全管理和应急响应提供数据支持。
引言
随着新能源产业的快速发展，锂离子电池（LIB）因其高能量密度、长循环寿命和低自放电率等显著优势，已被广泛应用于电动汽车、储能电站和便携式电子设备等领域（Armand和Tarascon，2008；Blomgren，2016；Nitta等人，2015）。它们已成为支撑能源结构转型和电气化浪潮的核心动力来源（Dunn等人，2011；Schmidt等人，2019）。然而，与LIB相关的安全隐患限制了其大规模工业应用。在电池储能系统中，单个电池中的TRP可通过热传导和辐射传播到相邻电池（Wang等人，2012；Feng等人，2018），可能引发火灾和爆炸等灾难性工业事故（Liu等人，2016；Zhou等人，2023）。同时，CO和SO2等有毒气体会释放，对人员安全构成威胁并造成不可逆的环境污染（Xu等人，2024；Yuan等人，2020；García等人，2025）。因此，开发高效的热失控抑制技术、建立可量化的控制参数，并为储能行业的过程安全设计和运行管理提供技术支持，对于提高LIB在实际应用中的安全性至关重要。
最近在动态TRP行为、多物理建模和集成热管理方面的进展为TRP抑制奠定了理论基础。Peng等人（2024）系统总结了LIB TR建模技术，包括热生成机制、反应动力学、滥用诱发的TR机制以及从单物理场模型向多物理场模型的转变。Chen等人（2025a）揭示了“残余火焰复燃”原理和气体压力信号演变规律，而Zhu等人（2024）提出了一种基于WPEP的声学方法，使用单个麦克风即可实现超过540秒的超早期预警。这些研究阐明了TRP的内在规律，但缺乏理论建模与实际工程参数之间的有效联系。
在LIB储能系统中，电池热管理是过程安全风险预防的关键组成部分，其重点在于优化热管理技术以保持电池组的热稳定性。Li等人（2019）量化了SOC、加热功率和间距对18650电池TR的影响，证明调整间距是阻断热传递路径的有效基本措施。ZHANG等人（2022）观察到，对于SOC为100%的电池，较大的电池间距使热传播更加困难。Ouyang等人（2019）发现增加间隙可以延迟相变故障并降低传播速度，后者与间隙的平方呈强正相关，并随模块SOC的增加而线性增加。Lopez等人（2015）使用九个18650 LIB研究了连接器、间距和保护材料对TRP的影响，发现2毫米的间距和电池间的热绝缘显著减缓了传播。Zhong等人（2018）指出，仅靠空气间隙在防止相邻点燃电池的热影响方面效果有限。
对于工业储能应用，高水平的研究促进了TRP模拟和集成热管理设计的发展。Issah等人（2025）全面回顾了电池热管理系统的最新进展，特别强调了混合配置的重要性，为设计高效可靠的热管理解决方案提供了系统参考。Talha等人（2025）提出了一种新型混合储能系统（HESS）概念，将电池组与金属氢化物储罐和相变材料相结合，提供了一种被动且高效的TR抑制方法。Chen等人（2024）开发了一种FRPCM-AEGF夹层结构（在5毫米厚度下有效）和超薄弹性热屏障，用于抑制灾难性TRP。Huang等人（2022）制备了一种石蜡/SEBS/磷酸铵/二氧化硅/碳微/纳米颗粒复合材料，发现该复合材料具有良好的热绝缘性能，总放热时间是普通PS材料的三倍。Chen等人（2025b）提出了一种多功能、超薄、坚固且弹性强的热屏障，用于抑制大型电池模块中的灾难性TRP，其临界热导率为λ = 0.04（W/(m·K)）。Weng等人（2021）发现，当氧气浓度从21%降至12%时，第一个和第二个电池之间的TRP时间间隔从136秒增加到196秒，表明TRP速率降低了44%。Mustafa（2022）发现电池的平均温度和最高温度随进出口尺寸和电池间距的增加而降低。Chen等人（2019）采用优化方案调整电池间距，从而实现了冷却通道内气流速度的均匀分布。Wang等人（2019）发现，在1米/秒的气流速度下，开发的强制空气冷却系统的效率可达73.0%，温差小于5.0°C，结构最高温度保持在45.0°C以下。
传统冷却方法主要依赖外部冷却介质来强制降低电池温度。相比之下，紧急放电是一种主动的预防和控制措施，可快速释放电池剩余能量，从而消除TR发生的能量基础。Hu等人（2024）发现，由于残余SOC的存在，TR的初始温度会发生显著变化，单元的SOC越低，其自身产生的热量越大，从而更容易触发TR。Theiler等人（2024）发现，将路径电池的SOC降至60%或20%可显著延迟TR传播87秒，并降低其峰值温度和严重程度。Lu等人（2025）发现，随着放电率的增加，LIB-2在TR过程中的喷射火焰强度逐渐减弱。Liu等人（2025）指出，高放电率会降低模块内的能量状态并削弱电池间的能量传递效率。Lai等人（2024）发现放电率与温度升高呈正相关，4°C的放电率会导致热稳定性显著恶化，最高温度达到96.6°C，而1°C至3°C的放电率相对更安全。Meng等人（2025）发现，当放电率超过3°C时，剧烈喷射火焰会转变为白色烟雾的排放，伴随火焰温度和热量释放率的显著降低。
总之，对于相邻于TR系统的电池，传统冷却方法无法直接针对热源本身。相比之下，放电技术通过独特设计显著减少了总热量释放。然而，在高放电率下，放电电流会产生一定的热量，这部分热量不容忽视，可能会加速TR的发生。因此，将放电缓解措施与热传递减少策略结合起来，建立协同预防系统，加强放电的过程安全设计和工程应用途径，可以为电池系统的安全提供更全面的保护。
考虑到这些问题，本研究探讨了在不同电池间距配置、气流激活时间和紧急放电条件下100% SOC的18650三元LIB的TR抑制效果。关于将紧急放电与其他TR抑制策略结合的相关研究仍不足。首先研究了增加间距布置和空气冷却对TRP的影响，然后研究了紧急放电和热传递减少对电池系统整体安全性的协同效应。通过精确捕捉TRP过程中的关键参数（如温度波动和安全阀激活），本研究阐明了控制因素的操作模式和协同机制，为有效抑制LIB模块系统中的TRP提供了实证依据。
电池样品
本研究使用了市面上常见的18650圆柱形LIB，其标称容量为2.0 Ah，充电截止电压为4.2 V，放电截止电压为2.5 V（表1）。实验前，每个电池样品都经过电池充放电一体化测试仪的预处理，包括以0.5 A的恒定电流放电至截止电压，然后以恒定电流-恒定电压（CC-CV）模式充电。
不同间距布置下电池模块的TRP行为
图2和图3展示了不同间距布置下的TRP现象以及相应的温度和气体产生参数变化。在0毫米间距条件下，加热棒以200 W的恒定功率向LIB-1传递热量。电池内部依次发生了一系列化学反应，包括固体电解质界面（SEI）膜的分解，导致气体生成（Adenusi等人，2023）
结论
本研究确定了电池间距、气流冷却时间和放电电流是LIB储能系统过程安全的关键参数。系统研究了LIB中TRP的演变特性，重点分析了不同的热传递控制条件和放电干预方案对TR进展、临界温度和能量释放模式的影响。主要结论如下：
(1)热传递减弱是有效的
CRediT作者贡献声明
潘荣坤：监督、资源获取、资金筹措。王健：监督、资源获取、资金筹措。邵向宇：监督、资源获取、资金筹措。陈梦宇：研究、数据管理。胡冰瑶：撰写-审稿与编辑、初稿撰写、可视化、数据管理。魏东阳：研究、数据管理。卢昌：撰写-审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、资金筹措、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（51974107）、河南省自然科学基金（252300421916、242300420026）、河南省高校科技创新团队资助项目（24IRTSTHN018）和河南省高校重点研究项目（24A620002）的支持。
