锂铁磷酸盐电池热失控中的受限天花板效应：火焰动力学、预警阈值及安全性评估

《Journal of Energy Storage》：Confined ceiling effects on lithium iron phosphate battery thermal runaway: Flame dynamics, warning thresholds, and safety evaluation

热失控行为分析及安全评估体系构建，研究LFP电池在受限空间内不同SOC和天花板高度下的热失控特性，揭示火焰形态、温度分布及失控时长的关联规律，提出综合安全评分系统。

　　

李思拓|孙学涛|杨俊杰|王志荣|王俊玲|黄亚军|王连聪|郭毅|何凌欣|杨凯|张明杰|蔡伟

中国南京工业大学安全科学与工程学院危险化学品安全与控制江苏省重点实验室，南京 211816

摘要

本文研究了磷酸铁锂（LFP）电池在受限空间条件下的热失控（TR）行为。通过一系列实验，考察了不同天花板高度（$H_c$）和电池充电状态（SOC）对TR过程的影响。结果表明，$H_c$和SOC均对TR特性有显著影响，包括火焰形态、温度分布以及整个TR持续时间。较高的SOC会导致更剧烈的燃烧且持续时间较短，而较低的SOC则产生较为温和但持续时间较长的火焰。温度变化率的阈值在0.54–1.605°C/s之间，这提供了大约230–550秒的早期预警时间。将$H_c$从20厘米降低到5厘米可以增强热限制效果，使50% SOC的电池燃烧时间从475秒缩短至251秒（减少了47%）。火焰面积和火焰延伸长度均随SOC的增加而增大。随着天花板高度的增加，火焰面积逐渐扩大，而火焰延伸长度则呈现相反趋势。最后，基于TR特性参数，提出了一个综合的安全评估评分系统。本研究为电池系统的安全考虑提供了宝贵的见解，特别是在受限空间环境中。

引言

随着锂离子电池（LIBs）在电动汽车（EVs）和储能系统中的广泛应用，其热安全性引起了越来越多的关注[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]，尤其是与热失控（TR）相关的潜在风险[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。TR是电池内部发生的自持续放热过程[15]，可能导致严重火灾、爆炸以及大量有害气体的释放[16]、[17]、[18]，并可能进一步引发相邻电池的级联热失控，从而导致更广泛的事故[15]、[19]、[20]、[21]、[22]。

为了表征TR行为，许多研究主要集中在内部或近场参数上，如热失控的起始温度、TR时间、最高表面温度、温度上升率、电压变化以及膨胀力或内部压力[23]、[24]、[25]。例如，王等人[26]和刘等人[27]系统测量了外部加热下大容量磷酸铁锂（LFP）电池的表面温度、热释放率和火焰演变情况，而陈等人[28]定量分析了高比能量电池的TR特性并预测了其热释放率。然而，包括火焰形态和沿天花板的关键火焰参数（如火焰面积和火焰延伸长度）在内的电池喷火后的现象大多仅进行了定性研究，尽管火焰及其热传递特性在很大程度上决定了对周围设备和结构组件的损害程度。通过研究大容量LFP电池，王等人[29]发现100%充电状态（SOC）的电池在最短时间内经历了最剧烈的TR过程，产生了最大的火焰尺寸和气体动量，从而对附近设备、支撑结构和人员造成了最大的热冲击和爆炸影响。

在许多实际应用中，锂离子电池在受限或半受限空间中运行，例如安装在储能柜内的电池模块、地下停车场和交通隧道中。在这种条件下，有限的通风和狭窄的空间不仅严重阻碍了热量散发，还促进了可燃气体和烟雾的积聚，从而显著增加了TR传播和火灾的风险[26]、[30]、[31]、[32]。电池火灾产生的烟羽会在上方结构下方形成天花板射流，增强了向下游电池的热传递并缩短了TR传播时间。同时，天花板的存在改变了火焰传播和热传递动态，形成了沿天花板蔓延的天花板射流火灾。在类似隧道的受限环境中，朱和唐[33]报告称，棱柱形LFP电池火灾的火焰形态、天花板温度分布和一氧化碳生成强烈依赖于SOC，且释放的气体对人员具有严重的毒性风险。最近，王等人[26]将真实的EV电池模块安装在标准燃烧室内的实际车辆框架中，并系统测量了TR传播过程及其环境影响。他们的结果显示，驾驶室内烟雾中十种主要气体的浓度均超过了PC-STEL限值。在单电池尺度上，黄等人[30]研究了靠近侧壁的LFP电池的射流火焰特性，发现减小火源与侧壁之间的距离会导致火焰更高、附着更强，并显著增强侧壁辐射；他们进一步提出了一个临界间距，超过该间距后可以忽略侧壁效应。总体而言，这些研究表明受限空间显著放大了电池火灾的热危害和毒性危害。此外，高倍率充放电实验表明，较高的SOC和较大的电流速率会加速TR的开始，加剧温度上升，并增强射流火灾，表明SOC是控制TR严重程度的关键参数；相关研究还表明，增加SOC会加速TR过程、加剧温度上升并增强气体喷射[31]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]。

尽管在上述关于受限空间中电池火灾的研究中取得了重要进展，但仍存在几个关键的研究空白。首先，大多数现有研究集中在模块级别的TR传播或隧道规模火灾场景上，而直接位于天花板下方的单个电池的射流火灾行为，特别是天花板高度如何影响烟羽结构、天花板射流的形成以及相关的热传递特性，尚未得到系统性的澄清[40]。其次，尽管SOC被广泛认为是影响TR起始时间、温度上升率和气体喷射的主要因素，但SOC和天花板高度对关键火灾参数（如火焰面积、火焰延伸长度和天花板温度）的耦合效应仍不甚清楚。

为了解决上述问题，本研究在天花板受限条件下实验性地研究了32 Ah LFP电池的TR和射流火焰特性。选择了三种天花板高度和不同的SOC，并对不同SOC的电池在不同天花板高度下进行了比较TR测试，以揭示SOC和天花板高度对TR过程的综合影响。详细检查了TR过程中的火焰特性和温度场，并定量描述了火焰面积和火焰延伸长度的变化，从而阐明了SOC和天花板高度对电池火灾行为和安全性的影响。这些发现为受限空间中运行的LIBs的火灾预防、结构设计和应急响应策略提供了宝贵的指导。

部分摘录

电池样本

在本实验中，使用了以LiFePO₄为正极材料、石墨为负极材料的32 Ah LFP电池。电池的标称电压为3.2 V。电池的尺寸为长度146毫米、宽度25毫米、高度90毫米。

电池以16 A的电流放电，直到达到2.5 V的截止电压。然后以恒流-恒压（CC-CV）模式充电，充电电流为16 A，截止电流和电压

无天花板时电池的TR特性

图2展示了无天花板条件下的实验结果。整个实验过程可以分为四个阶段：（I）稳定加热和安全阀开启（0–519秒），（II）点火和稳定燃烧，（III）多次间歇性射流燃烧和稳定燃烧，（IV）燃烧衰减和熄灭。第一阶段以使用加热板开始加热电池为标志。如图2(b)所示，在加热作用下，电池的整体温度逐渐升高

结论

本研究通过在电池上方不同高度放置天花板障碍物，揭示了天花板限制对磷酸铁锂（LFP）电池热失控（TR）过程和电池射流火灾特性的影响。在不同的天花板高度（$H_c$）和充电状态（SOC）条件下进行了一系列TR测试，以检查火焰形态并分析喷火前的关键温度阈值，从而实现早期预警。此外，还提出了一个综合的安全

CRediT作者贡献声明

李思拓：撰写——原始草稿，正式分析，数据管理。孙学涛：研究，数据管理。杨俊杰：方法论，数据管理。王志荣：监督，方法论，资金获取。王俊玲：撰写——审阅与编辑，方法论，研究，概念化。黄亚军：方法论，研究。王连聪：软件。郭毅：软件。何凌欣：软件。杨凯：资源。张明杰：资源。蔡伟：资源。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2023YFC30099000）、国家自然科学基金（52104197, 52272396, 52474233）、电力系统运行与控制国家重点实验室支持的项目（SKLD25KM34）、江苏省高等学校自然科学基金重大基础研究项目（24KJA620001）、火灾科学国家重点实验室（SKLFS）计划的开放基金（HZ2025-KF03）以及基金会（编号：