锂电热失控传播机理与电芯结构失效分析

一、结构差异如何影响失效行为

在电池安全研究中，一个被反复讨论的经典问题是：卷绕与叠片两种内部结构，哪一种更容易发生热失控？针对这一问题，有研究选取容量相同、外形尺寸相同，仅内部结构不同的方形磷酸铁锂电池，在外部加热条件下系统诱发热失控，并比较两种结构电池在温度、电压与热释放速率等关键参数上的演化差异。

实验平台由燃烧室、烟气排放系统、采样分析模块与数据记录单元等组成。实验前将电池固定在加热板上，用热电偶监测热失控全程的温度变化，同时记录电压信号，并通过防爆观察窗口拍摄整个热失控过程。实验数据表明，从开始加热到触发热失控，电池普遍经历加热、泄压、孕育、热失控及衰减几个阶段。

对比结果显示：卷绕电池热失控触发更为缓慢、持续时间更长，其热失控发生时间约为叠片结构的两倍，说明其内部传热过程相对缓慢；而叠片电池更容易快速触发热失控，热失控时间更短，表现出更强的瞬态响应特征。电压变化规律整体一致，热失控前保持相对稳定并略有下降，热失控发生时出现剧烈波动并最终降为零。

[图片：卷绕与叠片电池热失控过程对比示意图] 用于展示卷绕、叠片两种结构在点火与否四种情况下的动态差异。

二、热-电耦合如何加速传播

单只电芯的热失控特性只是起点。在真实电池模组中，热失控往往表现为从故障电芯向邻近电芯的传播。一项以大容量方形磷酸铁锂电池为对象的研究，采用先解耦、再耦合的实验设计，分别开展单体热失控、向失效电芯传热以及向正常电芯传播三类实验，并在开路与并联两种电气状态下进行对照。

实验数据表明：开路状态下，电芯热失控首先出现在外部加热区域，随后依靠厚度方向的热传导扩展；并联状态下，内部短路会造成电压差，邻近电芯向故障电芯输送电流，产生额外焦耳热，使热失控更早发生、传播更快，并显著提高燃烧风险。转移的电流集中分布在靠近正极极柱的上部区域，甚至可能把热失控提前到安全泄压时刻，并诱发连接件局部过热与喷射火焰。

• 定量结论一：相邻电芯可接收到占失控电芯总产热一定比例的热量，热影响具有工程可量化性。
• 定量结论二：并联支路转移电量可达满充电芯额定容量的相当比例，电流倒灌并非可以忽略。
• 设计启示：模组安全设计既要考虑热量传递，也要考虑电气连接方式对传播路径的影响。

三、模组级热失控的典型演变

在储能模组级别的验证实验中，磷酸铁锂电芯在加热条件下会先后经历加热、热失控、喷射燃烧与衰减等阶段。可燃气体冲破安全阀向外喷出，形成射流火焰；随着喷射速度增大，火焰根部会脱离出口形成离焰，继而完全熄灭形成脱火现象，最后随着内部热解反应逐渐结束，喷气量逐渐减小。这一系列现象对模组壳体的泄压设计、消防间距与探测部署都有直接指导意义。

热安全团队（thermsafe.cn）长期开展电池单体及模组的热失控传播特性评估，能够通过控制热滥用与电滥用条件，量化热失控的起始温度、温升速率与释放热量等关键参数，为卷绕、叠片、方形、软包等多种结构电池的安全设计提供数据支撑。

[图片：模组热失控传播测试场景] 用于展示故障电芯向邻近电芯传播时的火焰与温场演化。

参考自：行业技术公众号文章《卷绕和叠片电池，哪一个更容易热失控？》《并联电池为何会在安全阀开启时提前失控？热-电耦合驱动大容量磷酸铁锂电池热失控传播》《储能系统热失控验证案例，磷酸铁锂电池模组热失控特性实验》。

热安全团队（thermsafe.cn）提供锂电池HWS热失控测试（绝热加速量热仪ARC）、锂电池宽温域变温比热容测试（差示绝热追踪法）、绝热环境锂电池充放电产热测试、锂电池失控产气测试、方壳/硬壳电池导热系数测定（两状态法无损测试）、锂电池ARC过充热失控测试（电滥用触发）、硬壳/方壳电池导热系数及接触热阻参数测定（储热-释放两状态法）、GB/T 36276电池绝热温升测试、ARC针刺热失控等专业服务。了解更多项目详情，请访问 https://thermsafe.cn/services.html。