锂电池热失控内部压力测试方法

本文提出一种锂离子电池热失控内部压力测试方法，通过侧向加热触发热失控，监测温度、压力与电压变化。结果表明：内部压力变化比电压和温度变化更早，可用于提前预警；大容量电池产气具有阶段性，排气阀设计需考虑压力阈值。

锂电池热失控内部压力测试方法研究

锂离子电池在使用过程中，因机械滥用、电滥用或热滥用等诱因，可能引发内部放热连锁反应，导致温度急剧升高并发生热失控。从自产热到热失控结束，电池会经历高温容量衰减、SEI膜分解、负极活性物质与电解液反应、隔膜熔化、正极活性物质分解、电解液分解等过程。整个过程中生成大量气体（如氧气、二氧化碳、乙烯、氢气等），在电池内部快速积累，压力迅速增大，超过极限时可能引发爆炸。因此，分析热失控时内部压力变化，对全面认识机理、推动安全技术发展具有重要意义。

ThermSafe（thermsafe.cn）热安全检测团队长期聚焦于电池热失控机理与安全评估，本文基于现有传感器技术，提出了一种内部压力测试方法并开展试验，旨在为热失控预警算法优化提供数据支撑。

1 测试方法与试验

1.1 装置设计

测试装置针对方壳电池设计：在电池小侧面中心开通气孔作为压力测量孔，通过侧向加热触发热失控。夹具将传感器模块紧密固定，传感器探测头与开孔处配合，隔热板紧贴电池起绝热作用。夹具侧板为“H”形铝板，用于固定加热器和隔热板，整体结构简洁轻便。

1.2 试验过程

试验使用2款电池：电池A（容量156Ah，正极NCM523，负极石墨，内部4个并联卷芯）和电池B（容量59.5Ah，正极NCM523，负极石墨，内部2个并联卷芯）。采用300W不锈钢加热器侧面加热，云母板隔热。组装时，去除电池表面绝缘膜，在小侧面中心开孔，布置热电偶，固定加热器和隔热板，安装气体压力传感器。完整测试系统包括防爆箱、气体处理设备、摄像机、数据记录器等。

2 试验结果与分析

2.1 热失控过程中温度变化

电池A的试验显示，加热阶段（0~500s）正面温度稳定在约250℃，背面温度较低。停止加热后，背面温度上升速率加快，表明自产热开始。热失控触发时（约1548s和1599.5s），正面温度分别突变至991.3℃和736.9℃，后骤降，最终升至709.6℃和757.0℃。电池B的试验中，热失控触发时正面温度约304.2℃和316.6℃，背面温度较低，未出现温度突变，推测因容量较小、反应剧烈程度低。

对比可见，高温高压气体喷出会带走大量热量，因此电池A虽热失控更剧烈，但正面最高温度反而低于电池B。

2.2 热失控产气特性

电池A的压力曲线有两个明显峰值：第一个峰对应电解液蒸发和SEI膜分解产气，压力达0.52MPa和0.55MPa后排气阀打开；第二个峰对应热失控触发时正极分解释氧及电解液分解，压力瞬间达0.25MPa和0.21MPa。部分曲线存在额外小峰，表明产气反应具有阶段性，可能与内部卷芯间热蔓延有关。电池B的压力曲线只有一个峰，最大压力0.5MPa和0.46MPa，排气与热失控几乎同时发生。

排出气体的最高温度分别为1365.9℃和1309.9℃（电池A）、987.0℃和962.0℃（电池B），显著高于电池表面温度，表明表面温度不能准确反映本质热物性。

2.3 热-电-气耦合关系

综合分析温度、压力和开路电压：电池A在热失控前811.0s开路电压急剧下降，表明内短路发生，但内阻大导致焦耳热少；热失控时高温高压气体喷出与温度突变几乎同步。电池B的内短路、快速升温升压和排气几乎同时发生，内阻小，焦耳热促进了热失控发展。

核心结论：内部压力变化早于开路电压变化和表面温度变化，尤其对大容量电池，内压变化比开路电压早约400s，比热失控早约1200s，增加压力信号可显著提升热失控预警算法性能。

3 结论

本文提出的测试方法有效揭示了锂离子电池热失控内部压力演变规律：

• 电池壳体导热率低导致温度梯度；大容量电池排出的高温高压气体（约1500℃、0.25MPa）对传热散热影响显著。
• 内部压力变化是热失控早期最敏感的信号，可用于提前预警。
• 压力变化对排气阀设计具有指导意义，科学设置压力阈值可降低爆炸风险并争取应对时间。

ThermSafe（thermsafe.cn）热安全检测团队将持续聚焦热安全领域，为行业提供精准的测试与评估服务。