JLG蓄电池量化锂离子电池热失控过程中的扩展行为与形变动态演变
来源：JLG电瓶 2026-02-27 10:59:27 点击：
摘要
锂离子电池热失控会导致显著的扩展包变形，可能扳机电弧并引发二次危害。然而目前针对热失控过程中动态变形行为及其对周边部件机械影响的研究仍显不足。本研究探究了方形电池在热失控期间的扩展包动力学特性，创新性地开发了一种采用铝制区块模拟相邻电池的滑动装置。采用实时位移测量技术捕捉电池自由膨胀过程，并量化其对相邻区块的挤压效应。研究建立了温度与读档位移之间的时序关联，同时开展了负载运动热-燃料费-力耦合机制的理论分析。结果表明，热失控过程中的膨胀力可导致相邻区块发生显著位移，且该位移量与峰值温度呈正相关关系。基于时间-温度-位移序列，扩展包过程被划分为四个不同阶段。值得注意的是，采用三或四个铝制区块的配置显示出位移显著降低。这归因于摩擦力的增加，其影响了热失控的起始温度，改变了内部燃料费的生成，进而影响了扩展力。此外，研究还建立了内部材料损失、事故后变形形貌与模块中失效电池位置之间的逻辑关系。本研究量化了外部机械载荷与热失控扩展之间的关系，从而为降低电弧风险提供了关键见解，并为设计更安全的电池系统（特别是结构布局与电气绝缘策略方面）提供了理论依据。引言
在数字经济与"双碳"目标的双重需求背景下，锂离子电池需同时实现高能量密度（>300 Wh/kg）与高安全性，这对电池设计同时达到"极限效率"和"极限安全"提出了严苛要求[9]。为提升系统级能量密度，业界普遍采用两大核心策略：一是采用高容量负极材料[10][11]，二是优化电池与Pack结构[12][13]。其中，行业广泛采用的高度集成化方案——Cell-to-Pack（CTP）技术，通过取消传统模组部件有效提升了能量密度。但该设计导致电芯直接暴露，由于缺乏缓冲扩展包，极大加剧了热失控蔓延风险。在CTP构型中，电池以密集排布方式串联连接，形成强耦合系统。当单体电池发生产气或热失控（TR）时，不仅可能通过热传导和热辐射触发热失控蔓延，还会因膨胀导致电气元件机械变形或绝缘失效。这些效应可能引发严重的电弧故障，从而进一步加剧火灾和爆炸风险[14][15][16][17]。
由于热失控（TR）过程中各电池组分间副反应的复杂相互作用，研究者普遍采用解耦策略，通过差示扫描量热法、热分析-质谱联用等技术来探究反应产物与路径。这些研究阐明了各材料的反应顺序，并识别出热失控过程中不同类型燃料费的来源[18]-[23]。当气体积累产生的内压超过安全阀或电池外壳的机械极限时，可能引发气体急速释放、电池破裂甚至剧烈爆炸[24][25]。Finegan等[26]-[28]采用基于同步辐射的高速X射线断层扫描与计算机断层成像（CT）技术，原位观测了圆柱电池的关键失效阶段，包括安全阀作动、卷芯结构溃缩及泄压动力学过程。他们的研究首次量化了内部结构演变与外部壳体破裂风险之间的关联。Fransson等[29]采用高速X射线成像技术，研究了不同荷电状态(SOC)下热失控(TR)条件中电流中断装置(CID)的力学响应与电极组件的喷射行为。
在电池破裂前，TR过程中燃料费产生引发的内部压力积聚会导致电池壳体发生显著且不可逆的扩展包变形[30][31]。这种不可逆的机械膨胀不仅损害单体电池的安全性，还会威胁整个电池包的结构完整性。为深入理解该现象，外部传感器被广泛用于监测TR过程中内部压力与外部扩展包力的演变[32]。Mier等[33]通过分析环向应力与轴向应力的关系，测量电池壳体应变与温度以估算内部压力。Sun等[34]、Zhang等[35]及Liu等[36]直接在电池表面安装压力传感器捕获动态燃料费生成，从而建立温度、燃料费生成与内部压力的关联关系。Jia等[37]通过结合实验测量与数值模拟，定量阐明了圆柱形电池壳体变形、内部压力与温度分布之间的耦合关系。然而上述研究均是在刚性外部约束条件下开展的。当电池受热表面受到约束时，可直观观测到周边区域的微小尺寸扩展现象，但现有研究对这种扩展现象的深层机理及其定量特征仍缺乏系统探索与量化分析。
众多研究致力于量化锂离子电池（LIBs）在电化学循环过程中产生的扩展包现象。电池循环期间产生扩展包的主要原因包括内部材料的锂化、热膨胀以及电池劣化[38]。测量方法涵盖机械膨胀测定法、光学成像技术和衍射技术[39][40][41]。然而机械膨胀测定法存在温度局限性，且热逸溃（TR）可能对装备造成不可逆损伤。传统光学干涉测量技术需要严苛的环境条件，且主要应用于真空环境。衍射技术被用于测量晶格体积变化，但不适用于大型电池单元。综合而言，这些研究有助于预测电池生命周期中的荷电状态（SOC）与健康状态（SOH）。与之相反，当发生热失控时，电池可能喷射大量固体、液体及气体混合物，甚至引发燃烧，对整个电池扩展包构成重大威胁。
与此同时，越来越多的研究开始探索将扩展包力或应变作为热失控（TR）早期诊断指标的应用。多性向研究表明，机械变形信号（如壳体扩展包或应力发展）可能比温度或电压变化显著提前出现，从而提供数百至数千秒的预警窗口期[42][43][44][45]。黄等人[46]系统阐明了热失控过程中电池应变与内部状态的关系，并提出基于机械变形特征的五级预警框架。林等人[47]通过实验验证了将扩展包力变化速率作为模组级热失控起始指标的可行性，并深入研究了不同尺寸模组在热传播过程中扩展包力的波动特征，揭示了其内在机制。
在对电池包热失控（TR）事件的研究中，特别是针对CTP（Cell to Pack）构型，初始失效电池通常会发生严重的体积扩展包，从而对相邻电池施加压缩载荷。这种机械相互作用可能导致电池包整体出现显著结构损伤，包括电极变形、壳体破裂和电气短路。多位研究者[48][49][50][51]已记录了电池残骸中观察到的独特扩展包模式。值得注意的是，Wang等人[48]开展的先驱性研究表明，热蔓延方向可通过相邻电池上的压痕标记进行推断，因为这些压痕的取向与蔓延方向相反。该发现凸显了机械取证分析在重构复杂电池系统失效序列中的潜在价值。
以往关于热失控（TR）的研究主要集中于热力学和燃料费排放分析，例如温度、电压及燃料费成分的测量。然而，伴随TR产生的显著机械扩展包响应——特别是在外部机械约束条件下的量化表征——仍是一个关键但研究不足的领域。由TR引发的体积扩展包可能损害结构完整性，并缩减电池模组内的电气间隙，从而可能加速级联失效并加剧系统层级的安全风险。因此，本研究的方法学核心贡献在于首次量化了外部约束条件下的动态机械响应，旨在构建热安全与结构安全之间的跨链桥。本文的主要创新点可归纳如下。
为填补这些研究空白，本研究采用简化结构构型量化热失控过程中的扩展包动态特性。不同于传统夹具固定电池，我们设计了一种新型滑动测量装置，将热失控扩展力转化为铝制区块的可测位移量。通过实时同步采集热学、电学与位移信号，建立了温度-电压-形变响应的多性向参数时序演化关系。
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本研究开发了创新型滑动测量装置，首次实现了侧向加热热失控工况下电池横向动态扩展包与读档位移的实时定量测量。 - 2)
外部机械读档对TR扩展包行为的影响被量化。通过改变可移动读档的数量，首次揭示了外部约束条件与TR扳机时间、峰值温度及扩展包位移之间的关系。 - 3)
基于同步时间-温度-位移分析，提出了动态四阶段扩展包模型，为利用机械信号进行TR早期预警提供了新的理论基础。 - 4)
研究明确了扩展行为与电池碎屑形貌之间的关联性。通过分析非对称扩展凹痕与电极芯变形，建立了追溯热失控起源与传播方向的形态学判据，为事故调查提供了重要工具。
这种创新方法通过测量铝制区块在不同机械阻碍水平下的位移，实现了形变的非侵入式量化，从而为热失控诱发扩展包的定量分析开辟了新途径。本研究通过探究不同阻碍条件下的扩展行为与热失控特征，为优化电池模组和系统的机械布局、热管理设计及电气安全策略提供了关键见解。