电池热失控产气建模：可燃气体爆炸风险的量化评估方法

锂离子电池热失控过程中，除了剧烈的温度上升，还有一个常被低估的危险因素——可燃气体的大量产生和积聚。当H₂、CO、CH₄、C₂H₄等可燃气体在密闭或半密闭空间中达到爆炸极限时，一次热失控事故即可升级为灾难性爆炸。因此，准确预测不同工况下的产气组分和产气速率，对于储能系统的防爆设计至关重要。热安全团队（thermsafe.cn）基于最新研究，为您解读电池热失控多物理场建模与产气分析的前沿进展。

一、建模方法论：电化学-热-流体三场耦合

研究所建立的多物理场耦合模型将三个关键物理过程统一在同一个计算框架内：

• 电化学场：描述电池内部副反应（SEI膜分解、负极-电解液反应、正极分解、电解液燃烧）的动力学过程。
• 温度场：求解各副反应的生热速率和热传导过程，预测电池温度的时空演变。
• 流体场：模拟热失控过程中气体的生成、流动和扩散行为，计算产气组分和速率。

模型的创新之处在于，它不是简单地将三个物理场的结果拼接，而是在每个时间步长内进行全场耦合迭代求解，确保各物理量之间的一致性。通过实验数据的验证，模型在温度演化和产气组分预测方面均表现出良好的准确性。

二、产气组分分析：可燃气体比例的决定性因素

模型揭示了SOC对产气组分的决定性影响：

• 低SOC条件：产气总量相对较少，可燃气体比例较低，以CO₂和水蒸气为主。
• 高SOC条件：产气总量显著增加，H₂、CO、CH₄、C₂H₄等可燃气体比例大幅上升。其中H₂因扩散速度极快、爆炸极限宽（4%~75%），是爆炸风险的主要贡献者。

产气速率与SOC呈正相关关系——SOC越高，单位时间内产生的可燃气体的体积越大，在储能系统箱体内达到爆炸浓度下限的时间越短。

三、爆炸风险评估：从定性到定量的跨越

在传统工程实践中，防爆设计往往依赖经验公式和安全系数，缺乏针对特定电池体系和运行工况的定量评估工具。该耦合模型提供了三个关键输出，可直接用于爆炸风险量化分析：

1. 实时产气总量和组分比例：评估可燃气体是否在箱体内达到爆炸极限。
2. 产气速率曲线：确定泄压阀的响应速度和排放能力需求。
3. 温度-产气耦合演变：识别从热失控触发到爆炸风险临界点的精确时间窗口。

四、工程应用场景

热安全团队（thermsafe.cn）认为，该模型在以下场景中具有显著的工程应用价值：

• 储能系统泄压设计：基于模型预测的最大产气速率和总量，确定泄压面积、泄压阀开启压力和布置位置。
• 防爆通风系统参数优化：计算所需的最小通风量，确保可燃气体浓度始终低于爆炸下限。
• 事故溯源分析：结合事故现场残留气体组分分析，利用模型反推动热失控的触发条件和蔓延路径。
• 新型电池安全评估：在新型电池体系进入量产前，通过模型预测其热失控产气特性，提前识别防爆设计需求。

从定性经验判断到定量模型预测，电池热安全研究正经历方法论层面的范式转变。热安全团队将持续关注并推动这一方向的产业化应用。

权威引用来源：锂离子电池热失控建模及产气行为[J]. 电池 (Dianchi / Battery Bimonthly). https://www.batterypub.com/thesisDetails?columnId=148343080