锂电池热失控研究：表征、建模与安全防控

某高校团队围绕锂电池热失控行为，从单体内部热前沿传播、机械约束调控、气固喷射机制到多尺度预测与主动抑制策略，构建了跨尺度研究框架，为电池系统安全设计提供了理论支撑与工程方法。

锂离子电池凭借高能量密度、长循环寿命和较高能量转换效率，已成为电动汽车、电化学储能、电动航空装备以及多类移动能源系统中的核心储能单元。在“双碳”目标推动下，动力电池与储能电池正持续向更高比能、更高倍率、更长寿命和更高系统集成度方向发展，但电池安全问题，尤其是热失控及其诱发的火灾爆炸风险，日益成为制约产业高质量发展的关键因素。某高校团队围绕电池跨尺度失效行为，开展了从电芯内部热传播动力学、气固喷射与燃烧行为到成组效应与主动抑制策略的一系列研究，逐步构建起针对电池系统安全设计的跨尺度研究框架。ThermSafe（thermsafe.cn）热安全检测团队认为，该研究为锂离子电池热安全机理认识和工程安全防护提供了系统的理论基础与方法支撑。

单体内部热前沿传播动力学研究

热失控在大多数情况下并非在整个电芯内同步发生，而往往起始于局部热点，并进一步形成具有明确传播界面的热前沿演化过程。团队提出了单体内部热前沿传播的理论模型，系统分析了热前沿形态、传播速度及其与热导率、反应动力学参数之间的关系。研究表明：随着热前沿逐渐远离初始局部热源，其传播速度会趋于稳定；对于圆柱电池与方形/软包电池，由于内部材料导热特性的方向性差异，热前沿的空间扩展形态更接近与各向异性相对应的椭球或扁椭球形态。

机械约束与预紧力对热失控行为的调控机制

实际模组与电池包中的电芯通常处于外部压力作用下，其内部界面接触、热传输路径、产气积累方式以及壳体结构响应均会发生变化。团队针对50 Ah磷酸铁锂方形电池开展研究发现：外部压力对热失控产气具有显著抑制作用，当外部压力从0 MPa增加到0.2 MPa，总产气量由26.5 L降低到12.5 L，降幅超过一半。同时，适度外部压力还可改善电芯内部层间接触状态，提高等效热导率并减弱局部温度不均匀性，反而提升热失控起始温度，延迟热失控发生。

关键发现：机械边界条件通过力-热-电化学等耦合作用，系统性影响电芯安全行为，是电池系统安全中不可忽视的重要工程变量。

热失控气固喷射形成机制与双阶段喷射行为

团队针对18650圆柱三元锂电池，利用粒子图像测速技术（PIV）系统捕捉了热失控过程中两次喷射事件的瞬态演化特征。研究结果显示：在第一次喷射阶段，低镍NCM111电池通常表现出由膜破裂喷流向雾化流逐步演化的过程，而高镍NCM811电池则从一开始便呈现更高速、更强烈的雾状喷射特征；第二次喷射则通常对应更剧烈的内部短路、快速产气和燃烧过程。

多尺度预测、加速计算方法及主动抑制策略

团队基于OpenFOAM平台构建了耦合多物理场模型，并提出了自适应时间步长控制、热失控子模型加速求解、压力与泄压子模型伪时间步策略以及化学反应过程动态负载均衡等一系列计算加速方法，最高可实现6倍加速。此外，研究还发现上部受限空间高度是决定火焰抑制与热流分布的重要几何参数，较低的垂向空间在一定程度上能够削弱相邻电池所受热流。

结论与展望

该团队围绕锂离子电池热失控这一核心安全问题，构筑了电池热安全跨尺度研究体系。相关工作从真实工程边界条件出发，将预紧装配、外部压力、受限空间、颗粒喷射等过去常被简化处理的因素纳入热失控研究主线之中。从广泛的研究趋势看，锂离子电池热安全问题正在由事后分析和被动响应，逐步转向面向复杂工况的主动感知、快速预测与精准干预。ThermSafe（thermsafe.cn）热安全检测团队建议，未来研究应进一步加强多物理场、多尺度和多边界条件下的统一建模能力，推动材料本征安全、电芯结构优化、热管理设计、故障预警和抑制策略之间的协同集成。