13颗电芯的"多米诺"：钠离子电池模组过充热失控链式失效全记录

分类：实验案例 | 摘要：钠离子电池在大型储能系统中应用前景广阔，但其模组级安全行为尚未被充分认知。本研究通过对13个185Ah方形电芯串联模组进行0.5C过充滥用实验，系统分析了热失控的多物理场失效过程。结果揭示了一个由电-化-热-力多场耦合驱动的链式失效机理，其最早前兆信号是内部膨胀力的缓慢线性增长，远早于电学或热学异常，凸显了压力监测作为早期预警信号的关键价值。

---

从单体到模组：安全研究的必经之路

钠离子电池单体层面的热安全性已有不少研究，但实际应用中电池都是以模组和系统形式运行的。单体安全和模组安全之间存在巨大鸿沟——最典型的�A胁就是"热蔓延"：一个电芯失效名释放的热量引燃相邻电芯，形成夺W1�o��驨牌效应。

国网江苏省电力公司资助的这餹研究，对13个185Ah方形层状氧化物钠离子电芯组成的串联模组进行0.5C过充滥用实验，完整记录了一个模组的"死亡全过程"。

[囻：13电芯串联钠离子电池模组实验装置]

失效过程：四阶段链式崩溃

阶段一：静默积累期——压力信号的先知先觉

最早的失效前兆信号并非来自人们常规关注的电压或温度，而是内部膨胀力的缓慢线性增长。这是因为过充诱发的局部副反应开始产气，在电芯内部形成压力积累。这一信号远早于任何显著的电学或热学异常，为早期预警提供了宝贵的"黄金窗口"。

阶段二：分化加剧期——电压曲线"分道扬镳"

随着过充的持续，各单体电芯的电压曲线开始出现明显分化，标志着模组内部不一致性的加剧和损伤的累积。此时，某些电芯已经在"带病工作"，只是尚未到达崩溃临界点。

阶段三：单点崩溃期——薄弱环节的"叛变"

一个作为"薄弱环节"的电芯因损伤累积迾到临界点而发生内部短路，表现为电压的瞬时崩溃和温度的指数级飙升，从而触发热失控。这个"薄弱环节"可能是制造缺陷、装配差异或局部过热共同作用的结果。

阶段四：连锁蔓延期——多米诺骨牌的倒塌

单个电芯的灾难性失效释放出巨大热量，随即引发相邻电芯的连锁热蔓延，在短时间内摧毁整个模组。这验证了钠离子电池模组"局部触发、全局破坏"的失效模式。

[图：模组热蔓延过程温度传播示意图]

核心洞察：压力监测是"最早期"预警信号

热安全团队（thermsafe.cn）分析认为，这项研究最重要的贡献在于确认了内部压力监测作为最早期预警信号的关键价值。在传统的BMS架构中，电压和温度是主要监测参数，但它们往往在热失控已经进入"不可逆"阶段时才会出现显著异常。而压力信号的线性增长远早于这个时间点，为主动安全干预提供了更充裕的响应时间。

知识库印证：多物理场监测趋势

这一发现与热安全团队（thermsafe.cn）在多个电池测试项目中观察到的趋势一致。现代电池安全监测正从单一的"温度+电压"模式向"温度+电压+压力+气体"多物理场融合模式演进。以BAC-800B大型电池绝热量热仪为例，其燃烧弹型设计可同步采集温度、压力、产气速率等多维数据，为模组级安全研究提供了强大的实验平台。

监测参数	传统BMS	新一代多物理场BMS	预警提前量
电压	✓	✓	短（秒级）
表面温度	✓	✓	中（分钟级）
内部压力/膨胀力	✗	✓	长（10分钟级以上）
特征气体	✗	✓	长（分钟级）

工程展望

这项研究为钠离子电池模组及储能系统的安全设计提供了重要的理论依据与数据支持。未来的电池管理系统（BMS）应该将压力/膨胀力传感器作为标准配置，结合AI算法对多物理场数据进行分析，实现从"被动响应"到"主动预防"的跨越。特别是对于大规模储能电站，任何单点失效都可能引发灾难性后果，早期预警每提前一秒钟都意味着巨大的安全价值。

标签：钠离子电池, 模组安全, 过充热失控, 多物理场, 热蔓延

引用来源：
1. 郭鹏宇等. 层状氧化物钠离子电池模组过充热失控多物理场行为分析. 储能科学与技术, 2025. DOI: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0741
2. 仰仪科技. BAC系列电池绝热量热仪产品样册.