作者：叶锦昊1, 侯军辉2, 张正国1,3, 凌子夜1,3, 方晓明1,3, 黄思林2, 肖质文2
单位：1. 华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室；2. 厦门新能安科技有限公司；3. 广东省热能高效储存与利用工程技术研究中心
引用：叶锦昊, 侯军辉, 张正国, 等. 100 Ah磷酸铁锂软包电池的热失控特性及产气行为[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(2): 636-647.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0764
本文亮点：1.本研究以100Ah大容量软包磷酸铁锂电池为对象，系统探讨其在不同SOC条件下的产热机制与热失控后内部形貌变化，揭示了大容量软包电池的热失控特征。2.本研究探索不同SOC条件下电池的产气特性和爆炸极限变化规律，为储能系统的安全设计提供科学依据。
摘 要 本研究以100 Ah磷酸铁锂软包电池为研究对象，通过侧面加热触发热失控，借助工业计算机断层扫描(CT)、扫描电子显微技术(SEM)、气相色谱仪(GC)等表征测试手段，系统分析了40%、60%、80%、100%SOC下电池的热失控特性和产气变化规律。结果表明，电池热失控的过热触发可细分为四个阶段：过热温度升高、副反应膨胀产气、隔膜收缩与破裂冒烟、热失控引起剧烈温升和产气。进一步计算了产热能量，发现100%、80%、60%、40%SOC电池的峰值产热率分别达到140.34、115.44、14.76和3.91 kW，且100%SOC时释放的能量相当于104.63 g三硝基甲苯(TNT)的能量，破坏半径达到5.90 m，相比40%SOC的危险性提升了64.3%。对热失控后电池材料表征发现，正极磷酸铁锂材料从方块状转变为团聚的不规则球状，负极石墨结构则从层状转变为团聚的球形颗粒，这归因于内部副反应的加剧。通过对比产气特性发现，SOC的增加导致电池产H2量增加，CO2量下降，各SOC下电池产气的爆炸风险均高于普通烃类气体，爆炸上限呈现先下降后上升的变化趋势。本研究结果对后续储能系统的安全设计提供了理论依据和实践指导。
关键词 大容量；热失控；磷酸铁锂软包电池；残骸特征；产气
在全球碳中和与碳达峰的背景下，新能源领域迎来巨大的发展机遇。锂离子电池以其体积小、功率高、能量密度大、循环寿命长等独特优势，成为了消费电子、储能电站、新能源汽车及航空航天等领域的核心储能技术。然而，锂离子电池在极端工况下，如超负荷充放电、极端温度环境或内部短路，会面临热失控(thermal runaway，TR)的风险，这不仅影响电池性能，还可能引发火灾和爆炸。因此，深入研究锂离子电池的热失控特性，对于提升电池安全性、促进新能源产业的健康发展具有重要意义。
近年来，针对锂离子电池热失控特性的研究已从触发方式、测试条件、电池材料等多个维度展开。Zhu等对比了25 Ah的LFP软包和方壳电池的过热行为，发现封装形式对热失控的影响主要体现在封装材料的力学性能上，方壳电池的泄压阀能有效延缓热失控。Wang等研究了不同正极材料(LFP、NCM111、NCM622、NCM811)的热失控特性，发现LFP电池热失控触发时间早，热失控更温和，而NCM电池的热稳定性随镍比例增加而下降，热失控危害增加。Wei等分别使用钉刺、侧面加热和过充电触发NCM523锂离子电池热失控，结果发现过充滥用试验下电池损坏最为严重。Wang等比较了27 Ah商用方壳LFP电池在2C、1.5C、1C、0.5C下的过充热失控行为，发现充电速率增加会加速锂枝晶的生长，促进热失控。以上针对锂离子电池热失控特性的研究集中在小容量(<50 Ah)的电池，为了进一步研究大容量的电池的热失控风险，Kang等对86、100、120和140 Ah的LFP方壳电池的过充电行为和热失控特性进行了研究，发现低容量电池更易热失控，而高容量电池热失控剧烈程度更高。然而，目前针对大容量电池的研究都是基于方壳电池，对于大容量软包电池的热失控特性了解尚不充分。此外，当前研究多集中于直接观测电池热失控的温度和电压特性，而对于热失控后电池内部形貌变化的探讨则相对匮乏。
此外，锂离子电池发生热失控时，还会产生大量的可燃、有毒气体，易产生爆炸事故。Wang等总结了热失控气体成分主要成分为CO2、H2、CO，其余小部分气体主要为小分子烃类物质(CH4、C2H4、C2H6等)。为了更深入地了解电池产生的可燃气体，Qi等研究了不同荷电状态(state of charge，SOC)下的NCM523电池的产气特性，发现SOC上升时，CO2含量减少，H2和CO含量增加。Xu等比较了不同触发方式下电池热失控的产气特性，发现侧面加热时产H2最多，烘箱加热时最少。Shen等研究了LFP和不同NCM比例电池的产气成分和产气量，发现NCM系列电池的产气量基本在2～3 L/Ah，而LFP仅有0.569 L/Ah。LFP电池产生的气体中H2比例更高，导致其爆炸下限低于NCM电池。因此，当前已经在不同的材料体系、触发方式等条件下的电池产气特性开展了大量研究，然而，目前的研究并没有考虑到LFP电池在不同SOC下的产气特性和爆炸极限的变化规律。
鉴于上述研究背景和现有研究的局限性，本研究旨在填补大容量软包磷酸铁锂电池在不同SOC条件下产热特性和残骸特征研究的空白，并深入探讨其产气特性和爆炸极限的变化规律。通过过热实验，对100 Ah磷酸铁锂软包电池在不同SOC(40%、60%、80%、100%)下的过热机制、产热能量、残骸特征、产气组分、爆炸极限等关键参数进行系统分析，为储能系统的安全设计和应急响应策略提供科学依据，进一步推动新能源产业的安全发展。
本研究针对100 Ah大容量LFP软包电池在不同SOC下的热失控特性进行了深入探究，通过综合分析电池的过热机制、电压特征、产热特性、残骸特征、气体成分和爆炸极限，得出了以下主要结论。
（1）热失控过程与预警机制：电池热失控过程可细分为四个阶段：过热温度上升、副反应膨胀产气、隔膜收缩与破裂冒烟、热失控剧烈产热产气。电池电压的轻微下降是电池失效的早期预警信号，SOC越高，从电压下降到热失控的预警时间越短。
（2）SOC与热失控能量关系：SOC越大，电池热失控时的最大温度Tmax呈现线性上升趋势，且热失控瞬间的温升速率和产热率显著增加，100%、80%、60%、40%SOC电池的峰值产热率分别达到140.34 kW、115.44 kW、14.76 kW和3.91 kW。计算结果显示，100%SOC条件下，电池可释放能量高达464.24 kJ，相当于104.63 g TNT的能量，破坏半径达到5.90 m，相比40%SOC条件下的破坏半径提升了近64.3%。
（3）质量损失与内部结构变化：SOC越大，电池的质量损失率越高，电池的变形程度和内部极片间隙也越大，这归因于热失控过程中剧烈产气导致的内部膨胀。随着SOC的增加，内部副反应加剧，正极LFP材料从方块状转变为团聚的不规则球状，负极石墨结构则从层状转变为团聚的球形颗粒。
（4）产气成分与爆炸风险：电池热失控过程中产生的主要气体包括H2、CO、CO2以及少量碳氢化合物。随着SOC的增加，电池产H2量增加，CO2量下降。不同SOC条件下，电池产气的爆炸风险均高于普通烷烃气体，且随着SOC的上升，气体爆炸上限先下降后增加。
第一作者：叶锦昊（2001—），男，硕士研究生，研究方向为电池热失控。
通讯作者：侯军辉，工程师，研究方向为电池热失控。
通讯作者：方晓明，研究员，博士生导师，研究方向为复合相变储热材料等。
