关于电解质蒸气冷凝对磷酸铁锂电池热失控气溶胶喷射物输运特性影响的研究报告
本研究由武汉理工大学安全科学与应急管理学院的 Li Qi、Zhang Ying、Mao Binbin 以及通讯作者 Huang Ziqian* 共同完成。研究成果以论文形式发表，标题为“Effects of electrolyte vapor condensation on the transport characteristics of gas-aerosol ejecta from lithium iron phosphate batteries thermal runaway”。该论文发表于 Journal of Energy Storage 期刊，卷 141，文章编号 119232，在线发表于 2025 年 11 月 10 日，收录于 2026 年卷。
一、 学术背景 本研究属于锂离子电池安全及火灾科学交叉领域，具体聚焦于电池热失控（thermal runaway）产物的输运行为研究。锂离子电池因其高能量密度等优异性能被大规模应用于储能电站等密闭空间。然而，在过热、机械损伤或电气滥用等外部压力下，电池内部可能发生连锁放热反应，导致热失控，释放出大量烟雾、引发火灾甚至爆炸。在密闭空间中，热失控烟雾的扩散问题尤为严峻，不仅会积聚有毒、易燃易爆气体，其强遮蔽效应还会严重降低能见度，阻碍人员疏散。
当前，针对电池热失控烟雾流动的研究，主要集中于模拟气态组分（如 CO₂、H₂、CH₄）的行为，将其视为烟雾运动的主要驱动力。这些研究普遍忽略了电解质蒸气冷凝形成的液滴（即气溶胶两相流中的离散相）对流体特性的复杂影响，也未能充分考虑液滴对烟雾扩散、湍流变化及温度场分布的耦合效应。此外，现有研究多局限于较小尺度的模组或储能舱，缺乏对大规模环境（如大型仓库）中烟雾流动行为的系统性研究，难以满足实际大型储能设施的设计需求。
基于此，本研究旨在填补上述研究空白。其核心目标是：通过耦合实验与模拟，深入研究电解质冷凝现象对热失控喷射气体输运特性的影响。具体研究目的包括：（1）揭示大规模空间中热失控烟雾的扩散路径；（2）阐明气溶胶颗粒与气体相互作用对流场的影响机制；（3）探究冷凝比例（condensation ratio）这一关键参数如何改变烟雾的扩散速率、温度衰减和悬浮时间，从而为大规模储能系统的烟雾管理与安全设计提供更精确的理论基础和技术支持。
二、 详细研究流程 本研究采用“实验获取边界条件-数值模拟分析规律”的集成研究框架，主要包含以下三个紧密衔接的步骤：
步骤一：热失控实验与关键参数获取 本步骤的核心是通过实验，获取用于后续数值模拟的精确边界条件，包括喷射产物的生成速率、温度历程和化学成分。 * 研究对象与样本：研究使用一个100%荷电状态（State of Charge, SOC）的280 Ah方形磷酸铁锂（LFP）电池作为实验样本。其基本参数为：标称电压3.2V，重量5.42 kg，能量密度169.7 Wh/kg。 * 实验装置与方法： 1. 热失控触发：在电池前后表面放置两个500W加热板，通过外部加热方式诱发电池热失控。 2. 参数测量： * 温度：在安全阀（safety vent）出口、以及其正上方0.5米和1.0米处布置K型热电偶，记录喷射产物的温度梯度变化。 * 质量损失与喷射速率：将电池固定在精密质量天平上，实时记录热失控过程中的质量损失。同时，在安全阀轴线方向对齐安装一个S型皮托管，测量喷射气流的动压差（δp）。基于动量守恒原理，通过一个特定的公式（论文中式(10)）将天平显示的读数与皮托管测量的动压差相结合，计算出准确的气体生成速率，并建立气体生成模型。通过积分实时流量得到总产气量。 * 气体成分：在排气管道中设置烟气采样区。使用专门的H₂传感器测量氢气浓度。同时，连接傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪，用于分析喷射产物中的其他气态物种以及电解质蒸气（本研究中为EMC，即甲基碳酸乙酯）。为防止采样过程中电解质冷凝导致定量分析偏差，对排气管道和采样管道进行了保温处理。 * 数据分析流程：同步处理温度、质量、压力差的时间序列数据，计算得到喷射产物的温度峰值、总质量、质量流率随时间变化曲线，并通过FTIR光谱分析确定各气体组分的体积分数。
步骤二：数值模型建立与验证 本步骤旨在建立一个能够准确模拟气溶胶两相流扩散的计算流体动力学（CFD）模型，并利用实验数据对其进行验证。 * 模型构建： 1. 几何与网格：根据实际电池尺寸建立几何模型。计算域尺寸设定为高6米、长7米、宽2.5米，以覆盖实际仓库中一个典型储能单元（包含2-3排电池架、1个通道及周围通风管道）。通过网格独立性验证，最终选择了包含约1,856,535个网格单元的中等分辨率网格进行计算。 2. 物理模型：采用欧拉-拉格朗日耦合方法。连续相（气体）在欧拉框架下求解，控制方程包括N-S方程、能量方程，并采用可实现k-ε湍流模型进行封闭。离散相（冷凝液滴）采用拉格朗日粒子跟踪模型。液滴被假设为理想球体，忽略颗粒间相互作用，考虑其与气体之间的双向动量与能量耦合，主要计入萨夫曼升力。 3. 边界条件与关键参数： * 气体相：成分、初始温度、质量流率均依据步骤一的实验结果设定。 * 离散相：代表冷凝的电解质液滴。引入“冷凝比例”这一核心变量，定义为电解质液滴质量占产物中电解质总质量的比例。液滴粒径分布设定为10-100微米，平均直径50微米。其密度、比热、温度、质量流率等参数根据冷凝比例和实验数据确定。 * 边界：计算域周边设为压力出口，底部和顶部设为300 K的无滑移壁面，离散相与壁面相互作用设置为反射。
步骤三：参数化模拟与影响分析 在已验证的模型基础上，进行参数化模拟研究，系统分析冷凝比例对输运特性的影响。 * 模拟方案：设置了五种冷凝比例条件进行模拟：0%（无冷凝，仅气体）、25%、50%、75%、100%（电解质几乎全部冷凝为液滴）。在非0%条件下，随着冷凝比例增加，气相质量流率相应减少，离散相质量流率成比例增加。 * 分析内容：模拟并分析不同冷凝比例下： 1. 气溶胶两相喷射物在空间中的扩散过程（可视化云图）。 2. 沿安全阀正上方及侧向不同位置的垂直速度与温度剖面。 3. 离散相颗粒的完全沉降时间。
三、 主要研究结果 步骤一结果： 1. 热失控过程参数：对于100% SOC的280 Ah LFP电池，安全阀打开时，阀口温度瞬间飙升至约650 K的峰值，随后逐渐衰减至约430 K。热失控主动喷射持续时间约580秒。 2. 产物总量与成分：总喷射产物质量约为1211.1克。气体成分以H₂和电解质溶剂蒸气（EMC）为主，体积分数分别为41.2%和33.8%。其他主要气体包括丙烷（C₃H₈， 7.6%）、二氧化碳（CO₂， 6.4%）、一氧化碳（CO， 5.3%）、丙烯（C₃H₆， 3.0%）和甲烷（CH₄， 2.0%）。这七种组分占总体积的99.3%。此精确的成分与比例数据被直接用作模拟的输入条件。
步骤二结果： 模型验证显示，在50%冷凝比例条件下，模拟得到的安全阀上方0米、0.5米、1米高度处的气体温度随时间变化曲线与实验测量结果高度吻合。平均相对误差小于5%（阀口处误差仅0.24%），在工程分析可接受范围内。这证实了所采用的可实现k-ε湍流模型及离散相模型能够有效捕捉锂离子电池热失控过程中产物流动的主要特征和温度梯度变化。
步骤三结果： 1. 扩散过程特征：与无冷凝（仅气体）条件相比，引入离散相（如25%冷凝条件）后，气溶胶两相流的扩散行为发生显著改变。液滴的运动受到气体流动（气动拖曳）和自身重力沉降的共同支配。当气动力衰减后，颗粒进入缓慢沉降阶段，这是纯气体模型无法描述的物理过程。 2. 垂直剖面分区：在安全阀正上方，气体-气溶胶两相产物的速度和温度随高度增加迅速衰减，可划分为三个主要区域： * 快速衰减区（阀口至约1米高度）：温度和速度急剧下降。例如，在25%冷凝条件下，速度从阀口的6.96 m/s降至1米高处的0.92 m/s，降幅达87%；温度从584 K降至323 K，降幅45%。 * 均匀速度区（约1-3米高度）：拖曳力与浮力达到平衡，速度变化平缓。 * 缓慢衰减区（3米以上高度）：动量进一步缓慢耗散。 3. 冷凝比例的影响： * 对扩散速度的影响：在快速衰减区，速度衰减表现出强烈的冷凝比例依赖性。在1米高度处，0%冷凝条件下的速度为1.15 m/s，而50%和100%冷凝条件下分别降至0.82 m/s和0.72 m/s，仅为无冷凝条件下的71.3%和62.6%。冷凝比例越高，扩散速率衰减越显著。 这是因为更高的冷凝比例意味着更多的小液滴（平均直径减小），导致颗粒弛豫时间缩短，增强了液滴与气体间的动量交换。小液滴从气体中吸收更多动量，更难克服气体阻力进行重力沉降，同时根据斯托克斯定律，沉降速度与直径平方成正比，直径减小导致沉降速度二次方下降。 * 对温度衰减的影响：温度衰减曲线在不同冷凝比例下几乎重合，表明温度衰减主要受气体本身性质控制，与冷凝比例关系不大。 * 对悬浮时间的影响：冷凝比例显著延长了气溶胶颗粒在空中的完全沉降时间。在25%冷凝条件下，完全沉降时间为345秒；而在100%冷凝条件下，时间延长至376秒。冷凝比例越高，离散相颗粒越多，导致沉降速度减慢，悬浮时间延长。
四、 研究结论 本研究通过实验与模拟相结合的方法，系统研究了大容量LFP电池热失控烟雾在大尺度空间中的扩散动力学，重点揭示了电解质冷凝比例对气溶胶两相喷射物输运特性的关键影响。主要结论如下： 1. 对于280 Ah大容量LFP电池，热失控时安全阀口温度峰值约为650 K。喷射产物以H₂和电解质蒸气（EMC）为主，总喷射质量约1211.1克。 2. 采用离散相模型可以更准确地模拟热失控过程中气溶胶两相产物的扩散过程，模型经过验证有效。 3. 气溶胶两相产物垂直扩散呈现快速衰减区、均匀速度区和缓慢衰减区三个特征区域。速度和温度随高度增加而快速下降。 4. 冷凝比例是影响输运特性的关键参数：冷凝比例越高，气溶胶扩散速率衰减越显著，颗粒的悬浮时间越长（从25%冷凝下的345秒增至100%冷凝下的376秒）。这意味着在真实热失控场景中，电解质冷凝液滴的存在会减缓烟雾的上升和沉降，导致有毒有害气溶胶在疏散空间内滞留更长时间。
五、 研究的意义与价值 * 科学价值：本研究首次系统地将电解质蒸气冷凝行为及其比例纳入锂离子电池热失控产物输运特性的分析框架，突出了气溶胶两相流耦合作用的重要性，弥补了以往研究多关注纯气体相的不足。提出的耦合离散相与气相的模型，为复杂两相流在电池安全领域的应用提供了方法参考。 * 应用价值：研究结论对大规模锂离子电池储能设施的安全设计具有直接指导意义。研究指出，更高的冷凝比例会延长烟雾悬浮时间，这对人员疏散和排烟系统设计提出了更大挑战。例如，延长悬浮时间会增加疏散人员暴露于有毒气溶胶（如吸附HF的液滴）的风险，同时降低能见度，影响逃生效率。该研究为储能仓库的烟雾浓度时空分析、探测器优化布置、通风排烟系统关键参数的设计与优化提供了重要的理论依据和数据支持。
六、 研究亮点 1. 研究视角新颖：突破了传统研究仅关注热失控气相产物的局限，首次聚焦于“电解质蒸气冷凝”这一物理过程及其“冷凝比例”关键参数，深入研究其对气溶胶两相流输运特性的影响，抓住了实际热失控烟雾复杂性的一个重要方面。 2. 方法集成创新：采用了“高保真实验获取边界条件”与“多物理场CFD模拟”深度结合的集成研究方法。实验不仅提供了成分数据，还通过独特的质量-动量联合测量法获得了精确的产物流率边界条件，大幅提高了模拟的可靠性和真实性。 3. 问题导向明确，工程意义强：研究直接面向大规模储能设施的安全设计需求，将模拟尺度扩展至能代表实际仓库单元的大空间，得出的关于扩散速率衰减和悬浮时间延长的定量结论，对评估火灾风险、制定应急策略、优化安全系统具有明确的工程指导价值。 4. 揭示了明确的物理机制：通过模拟分析，清晰地阐明了冷凝比例影响扩散和沉降速度的物理机制（通过改变颗粒弛豫时间和气-粒动量交换强度），使结论建立在坚实的物理学原理之上。
七、 其他有价值内容 论文也指出了本研究的局限性及未来方向：当前的模拟主要关注冷凝比例的影响，而忽略了相变过程（如冷凝潜热）本身的影响。作者表示，在未来的工作中，将在实验中集成原位表征技术以实时监测气液产物的动态相互作用机制；在数值模拟中，将考虑相变的影响，使模型更加完善。这些思考展示了研究的深度和可持续性。