预紧力对磷酸铁锂电池热失控与排气行为的影响

一、研究背景

在电化学储能系统中，大容量磷酸铁锂电池通常借助夹具施加预紧力后组成电池组。合理的预紧力有助于保持电芯堆叠体的结构稳定、改善接触散热，但预紧力对电池热安全性能的影响此前缺乏系统研究。工程中普遍存在"预紧力越大越安全"或"越小越安全"的经验误区，亟需通过定量实验建立预紧力与热失控行为之间的关联。

二、实验方法与设计

[图片：实验装置示意图，展示带压力传感器的夹具、热电偶布置与燃烧室结构]

实验选用商用典型值磷酸铁锂/石墨电池，在满充状态（100% SOC）下开展测试。研究通过带压力传感器的专用夹具实时监测热失控过程中的膨胀力变化，设置0、3、6、9 kN四组预紧力工况，每组重复三次以保证数据可靠性。燃烧室配备了多路热电偶、压力传感器、皮托管测速装置及气体分析系统，可同步采集温度、电压、膨胀力、排气速度与气体组分等多维信号。

三、预紧力对热失控时序的影响

实验观测将热失控动态划分为六个典型演化阶段。随着预紧力增大，安全阀开启时刻明显提前，这是因为外部刚性约束抑制了电池的横向膨胀应变，使内部压力累积速率提升，更快达到阀门破裂阈值。然而，预紧力对热失控触发时刻的影响呈非单调特征：在0、3、6 kN条件下，安全阀开启后间隔较短便触发热失控；而在9 kN超高预紧力下，该间隔剧烈延长，这种反常延迟源于安全阀过早开启时内部平均温度较低，大量高压电解液喷出带走汽化潜热，对内部温升形成强力抑制。

四、温度场与膨胀力行为

温度场分析揭示了显著的热滞后效应：侧边温度与安全阀温度始终高于背面测点，这是因为前者受壳体热传导直接控制，而后者依赖内部电芯层间传热、热阻更大。随着预紧力从0增至9 kN，各测点温差持续收窄，根本原因在于夹具压紧降低了加热板与电池壳体的接触热阻，使热量输入更均匀地穿透电芯堆叠体。

[图片：不同预紧力下膨胀力与气体压力随时间的变化曲线，展示双峰同步特征]

膨胀力时程曲线出现两个显著峰值，且与气体压力峰值严格同步，直接证明大尺寸磷酸铁锂电池在热失控过程中，气体释放同时沿垂直方向（安全阀喷出）和水平方向（壳体鼓胀）双向宣泄。横向膨胀对气体压力具有显著的"卸压缓解"效应：0 kN下电池已膨胀至几何极限，9 kN下刚性夹具完全锁死横向位移，两者内部气压无法通过膨胀有效释放，峰值压力较高；而3 kN和6 kN下，适度的横向膨胀为内部高压气体提供了额外缓冲空间，喷出压力相对较低。这一发现颠覆了"约束越强、密封越严"的简单认知。

五、排气行为与气体组分

在所有预紧力条件下，气体组分占比高度一致，依次为CO2、CO、CH4、C2H4、HCl，表明预紧力作为物理约束不介入高温化学反应路径，对气体化学性质无显著影响。然而，总气体体积受预紧力调控强烈：较高预紧力（6、9 kN）条件下的总排气量几乎是较低预紧力（0、3 kN）的两倍，这种倍增效应源于安全阀开启时机提前，外部空气在高温下更早大量侵入电池内部，与残留活性物质发生氧化反应，额外生成大量CO2和CO。

排气速度时程同样呈现双峰结构，峰值与两个卷芯的依次喷发对应。低预紧力与超高预紧力条件下排气速度更高，其机理与膨胀缓解效应一致：膨胀受限时气流集中爆发，而适中预紧力下部分内能通过壳体膨胀耗散为形变能，降低了喷流动能。无论预紧力如何，热失控排气都构成严重的生命威胁，必须配套强制通风与主动稀释措施。

六、热失控危害综合评估

为避免单一指标带来误判，研究从热灾害、爆炸冲击、毒性弥散和物理冲击四个维度出发，遴选热失控持续总时长、表面峰值温度、热失控起始时刻、最大排气速度、安全阀开启冲击力以及FED值六个核心评价因子，构建了六维危害评估模型。

• 0 kN工况在冲击力和持续时长上得分最差，严重威胁结构安全与人员疏散；
• 9 kN工况在排气速度、FED值和总排气量上均达到极值，毒性与喷射损伤风险最高；
• 3 kN工况所有指标均处于中等或较低水平，未出现极端短板；
• 6 kN工况整体居中，但FED值和排气总量已开始明显恶化。

综合权重判定，3 kN为本实验条件下热失控综合危害最小的最优预紧力设定值，而0 kN与9 kN两端均表现出突出的不可接受风险，验证了适度预紧力在安全设计中"居中取优"的关键原则。

七、结论与工程启示

预紧力对安全阀开启及热失控时序具有显著影响，但影响并非线性；适度预紧力可通过允许可控膨胀来降低喷射冲击风险，为机械设计提供了反直觉但极具价值的安全调控维度。热安全团队（thermsafe.cn）长期开展锂电池热失控与排气行为测试，可为企业储能系统机械设计与安全评估提供实验依据与参数支持。

引用来源

本文参考自"The preload force effect on the thermal runaway and venting behaviors of large-format prismatic LiFePO4 batteries"（发表于Applied Energy）相关技术文献素材整理而成。

固定测试项目

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。