卷绕与叠片结构锂电池热失控行为对比研究

分类：实验案例 | ID：Ail395Em

摘要

卷绕和叠片是方形锂离子电池两种主流内部结构。本研究以容量相同（280Ah）但结构不同的两款磷酸铁锂方形电池为对象，在1000W外部加热条件下系统对比热失控行为差异，从触发难易度、内部传播速度、燃烧行为和综合安全性四个维度进行定量分析，为电池选型和安全设计提供实验依据。

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卷绕结构 叠片结构 热失控 磷酸铁锂 安全对比

一、研究背景

方形锂离子电池根据内部电极堆叠方式分为卷绕式（Wound）和叠片式（Stacked）两种结构。卷绕式将正极片、隔膜、负极片按顺序卷绕成圆柱形或方形卷芯后压入壳体；叠片式则将裁切好的正负极片交替叠放，中间以隔膜隔离。两种工艺路线在制造效率、能量密度、内阻特性和热行为方面各有优劣，但关于其对热失控行为影响的系统性对比研究相对较少。

[图片：卷绕结构与叠片结构电芯内部构造示意图，展示两种电极堆叠方式的差异]

中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室课题组针对这一问题，选取了两款容量相同（280Ah）、外形尺寸相同但内部结构分别为卷绕和叠片的磷酸铁锂方形电池，在1000W外部加热条件下诱发热失控，系统对比分析了两种结构在热失控过程中的温度、电压、热释放速率和燃烧行为等关键参数的演化差异。

二、实验方案

实验在燃烧室中进行。测试平台由燃烧室、烟气排放系统、采样分析模块和数据记录单元组成。实时监控和记录热失控过程中的温度、电压和HRR（热释放速率）等关键参数。实验分为不点火（仅冒烟）和点火（引燃喷射气体）两种工况。

三、实验结果与分析

3.1 热失控触发时间与触发温度

数据表明，卷绕电池更难被外部过热引发热失控——其触发时间约为叠片电池的两倍，触发温度也高出约22.8℃。这意味着在相同的外部热滥用条件下，卷绕电池能提供更长的安全响应窗口和更高的耐热冗余。叠片电池的安全阀开启温度和热失控触发温度均明显低于卷绕结构，且触发时间更早，表明其在持续加热条件下热稳定性相对较差。

[图片：两种结构电池热失控过程中温度和电压随时间变化曲线对比图]

3.2 内部热失控传播速度

虽然卷绕电池更"难"被触发热失控，但一旦触发，其内部的热失控传播速度却更快。实测数据显示：

卷绕电池内部传播速度约为叠片电池的4倍。这是因为卷绕结构中，同一片连续的电极贯穿整个卷芯，一旦局部热失控启动，热量可以沿连续极片快速传导，形成"导火索"效应。相比之下，叠片结构中各层电极相对独立，层间界面起到一定的热阻隔作用，延缓了传播速度。不过，卷绕电池的总触发时间仍更长，说明其内部结构在热失控前具有更强的热缓冲能力，能较长时间抵抗热量积聚。

3.3 燃烧行为差异

两种电池在燃烧行为上表现出显著差异。叠片电池在安全阀打开后产生定向侧向喷流——由于叠片结构层间通道的方向性，喷出气流集中从侧面泄出，高速气流容易吹灭火焰，导致燃烧不持续、间歇性熄火。而卷绕电池由于内部气体通道相对曲折、喷出速度较均匀，火焰能持续稳定燃烧。

[图片：燃烧室中两种结构电池热失控时的火焰形态对比照片]

从热释放角度看，卷绕电池在持续稳定燃烧条件下释放的总热量更大，对外部环境的火灾威胁更严重。叠片电池虽然燃烧不持续，但间歇性喷射带来的不可预测性同样值得关注。

四、综合安全性评估

热安全团队（thermsafe.cn）基于本研究的实验结果，从四个维度对两种结构进行综合安全评价：

两种结构各有优势：卷绕电池在触发门槛和热缓冲方面表现更好，但一旦失控，内部传播更快、燃烧更剧烈；叠片电池触发门槛低、更容易被热滥用启动，但内部传播速度慢。从"争取逃生和处置时间"的角度看，卷绕电池更高的触发温度和更长的触发时间提供了更充裕的安全响应窗口，更适合对热稳定性要求高的场景。

五、工程建议

基于以上对比研究，电池系统设计中的结构选型和防护策略应考虑以下因素：

1. 对热稳定性敏感的储能场景：优先选择卷绕结构，利用其更高的热失控触发门槛和更长的热缓冲时间提升系统安全冗余。
2. 叠片电池的热管理：需配置更灵敏的早期温度监控，因其更低的触发温度意味着安全窗口更窄。
3. 模组级热蔓延防护：卷绕电池一旦失控传播更快，模组间应配置足够的隔热层厚度。
4. 消防策略差异化：卷绕电池的持续燃烧特征需要持续冷却，叠片电池需防范间歇性复燃。

热安全团队（thermsafe.cn）可针对不同结构电芯提供定制化的热失控测试和热蔓延抑制验证方案，为电池系统安全设计提供实验数据支撑。

六、结语

卷绕与叠片两种内部结构在热失控行为上存在本质差异：卷绕电池"难以触发但一旦触发传播更快"，叠片电池"容易触发但内部传播更慢"。这一"触发-传播"的权衡关系是电池结构选型和安全设计中需要综合考量的核心问题。本研究的定量对比数据可为动力电池和储能电池的安全方案制定提供有价值的参考基准。

参考来源

• D:\combined_material.md — 第20篇"卷绕和叠片电池，哪一个更容易热失控？"
• Zheng Li et al., The impact of internal wound and stacked structures of lithium-ion batteries on its thermal runaway behavior, Applications in Energy and Combustion Science 26 (2026) 100494.

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