这份名为“Multi-parameter coupling effects on cathode-particle-induced breakdown arc in lithium iron phosphate batteries”的研究发表于*Energy*期刊，于2025年11月11日在线发表。该研究由来自青岛理工大学的于瑞广（第一及通讯作者）、毛成阳、康云峰、焦晨、杜龙坤、尹一冰、王岩以及来自清华大学王赫武（共同通讯作者）组成的团队完成。
一、学术背景与研究动机 本研究聚焦于电化学储能与电气安全交叉领域，具体针对锂离子电池热失控（Thermal Runaway, TR）过程中产生的二次灾害问题。随着可再生能源及电动汽车的快速发展，磷酸铁锂（Lithium Iron Phosphate, LFP）电池因其高安全性、长寿命和环境友好性，在储能电站中得到了广泛应用。然而，热失控是其固有的极端失效模式，不仅可能导致电池本身起火爆炸，其过程中喷射出的高温物质还可能引发更严重的连锁反应。
研究的直接动机源于一个被日益关注但研究尚不充分的关键风险点：在电池热失控喷射阶段，喷出的阴极材料等固体颗粒可能填充到电池系统内的电极间隙（如铜排、连接片之间），显著降低间隙的介电强度，从而诱发击穿电弧（Breakdown Arc）。这种电弧温度极高（>6000 K），能够点燃电池喷射出的可燃气体或熔融隔膜，形成“热失控-颗粒喷射-电弧引燃”的灾害链，极大加剧火灾风险。澳大利亚维多利亚大电池储能电站火灾等事故已凸显了电弧故障的严重性。尽管对于三元（NCM）电池颗粒诱导电弧已有初步研究，但针对更广泛应用于储能的LFP电池的相关研究仍处于起步阶段，其颗粒诱导电弧的临界条件与多参数耦合机制尚不明确。
因此，本研究旨在系统性填补这一知识空白。其核心目标是：建立直流电弧实验平台，量化研究LFP阴极粉末诱导电弧的临界条件，并深入揭示电极间隙、颗粒尺寸、负载电阻及填充形状等多参数耦合作用下的电弧生成机制与特性，从而为储能电池系统的电弧故障防护提供理论和实验依据。
二、详细研究流程与方法 本研究包含以下几个核心步骤：实验平台搭建、关键参数定义、实验矩阵设计、数据采集与电弧特性表征。
1. 实验平台与模块开发： 研究团队自主开发了一套固态颗粒电弧模拟器（Solid-state Particulate Arc Simulator）。该平台主要包括： * 可控直流电源： 模拟电池电压（Udc），范围0-1500V，用于模拟实际800V电池系统的电危害。 * 电弧发生模块： 这是本研究的创新实验装置。由一片云母板和两个铝电极（阴极和阳极）构成。电极尺寸（80 mm × 40 mm × 1 mm）与标准电池极耳截面形状一致，选用铝是因为它是电池系统中最常见的电极材料。该模块设计用于研究高温喷射颗粒环境下的电弧，克服了传统电弧测试平台不耐极端高温的局限。 * 负载电阻： 可调（30Ω内），用于调节主回路电流并确保操作安全。 * 数据采集系统： 采用霍尔效应电流传感器测量回路电流，高速数据采集仪（1 kHz采样率）同步记录电弧电压和回路电流。 * 热成像相机： 用于捕捉电弧形态和温度分布。
2. 关键参数与实验判据： * 临界击穿电压定义： 实验采用阶梯升压法（每20秒增加10V），从250V开始直至引发电弧。记录电弧发生前一刻的电压（V1）和电弧发生时的击穿电压（V2），临界击穿电压（Critical Breakdown Voltage, CBV）定义为 (V1+V2)/2，误差±5V。需要区分的是，CBV指外部电源电压，而“电弧电压”指稳定燃弧期间电极间的电压。 * 颗粒样本准备： 根据前期研究，热失控喷射颗粒中90%质量来自小于500 μm的颗粒。因此，研究选取了四组筛分样品：500 μm, 300 μm, 100 μm, 54 μm。这涵盖了喷射颗粒的主要尺寸范围。
3. 系统性实验矩阵： 研究设计了四组实验，每次实验重复2-4次以降低环境波动影响。实验矩阵如下表所示： | 实验编号 | 研究变量 | 变量参数 | 固定参数 | | :— | :— | :— | :— | | 1 | 颗粒尺寸 (d) | 54, 100, 300, 500 μm | 负载电阻 R = 20 Ω， 电极间隙 D = 1 mm， 填充形状 S = 正常填充 | | 2 | 电极间隙 (D) | 1, 2, 4, 6 mm | R = 20 Ω， d = 500 μm， S = 正常填充 | | 3 | 负载电阻 ® | 10, 15, 20 Ω | D = 2 mm， d = 500 μm， S = 正常填充 | | 4 | 填充形状 (S) | 正常填充 (NF), 两端填充 (FE), 中间填充 (FM) | R = 20 Ω， D = 2 mm， d = 500 μm |
4. 电弧特性分析方法： 在稳定燃弧阶段，选取10-20秒的数据段进行定量分析。主要计算两个电气特性参数： * 电弧电阻 (Rt)： 根据欧姆定律，由t时刻的电弧电压 (Vat) 除以回路电流 (It) 得到，即 Rt = Vat / It。 * 平均电弧电阻 (Ravg)： 对稳定燃烧期间所有计算出的Rt取平均值。
三、主要研究结果 1. 典型电弧现象与极低击穿电压： 研究首先观察了典型参数下（2 mm间隙，20 Ω负载，500 μm颗粒）的电弧诱导过程。整个过程分为两个阶段：阶段I为预击穿阶段，电极间电压接近电源电压，电流近乎为零；阶段II为电弧阶段，可细分为电弧产生、稳定燃烧和熄灭三个子阶段。当电压达到约370 V时发生瞬时击穿，产生可见燃烧，高温（>660°C）熔化铝电极并产生电离气体，使电弧稳定持续超过40秒。稳定阶段电弧电压在46.44 V附近波动，平均电流15.64 A。 关键发现： 在2 mm电极间隙下，测得的CBV为365 ± 5 V。根据均匀电场下空气击穿电压公式（Vc = 3000d + 1350 V，d为毫米间隙），2 mm空气的理论击穿电压为7350 V。这意味着LFP颗粒将击穿电压降低至仅有空气的约4%。这一极大幅度的降低表明，即使串联电池模块电压不高，也极易由喷射颗粒诱发击穿电弧，显著提升了系统失效风险。
2. 颗粒尺寸的影响： 在1 mm间隙和20 Ω负载条件下，CBV与颗粒尺寸呈显著负相关。CBV从54 μm颗粒的560 V下降到500 μm颗粒的255 V，降幅达54.5%。这种下降并非线性，最显著的下降（33%）发生在54 μm到100 μm之间。超过100 μm的颗粒表现出特别强的促弧效应，100 μm和300 μm颗粒组的CBV差异很小（仅5.3%）。这表明，大于100 μm，特别是超过300 μm的大颗粒是诱导电弧故障的关键因素。
3. 电极间隙的影响： 在500 μm颗粒和20 Ω负载条件下，CBV与电极间隙呈正相关，并符合线性关系：Vc = 100.5D + 154.3（V）。CBV从1 mm间隙的255 V增加到6 mm间隙的760 V。在整个研究范围内，颗粒诱导的CBV始终维持在空气击穿电压的4%左右。这一关系为工程设计提供了直接参考：对于800 V的电池系统，为防止颗粒诱导电弧，电极间隙至少需要6.42 mm；对于1200 V系统，则至少需要10.40 mm。 此外，电弧功率随间隙增大而显著增加，在6 mm条件下达到约2500 W，这意味着更大的热传播危险。电弧电阻呈现非单调变化：从2 mm到4 mm，电弧从填充物中获得更多能量，增强了电离和等离子体电导率，导致电阻下降；从4 mm到6 mm，电弧路径延长的几何效应占主导，导致电阻回升。这揭示了维持电弧过程中能量获取与几何耗散之间的动态平衡。
4. 负载电阻的影响： 在2 mm间隙和500 μm颗粒条件下，负载电阻与CBV呈正相关。当负载电阻从10 Ω增加到20 Ω时，CBV从约275 V上升至365 V，增幅约25.9%。在所有情况下，颗粒诱导的CBV均低于同等间隙下空气击穿电压的5%。较低的负载电阻导致回路电流增大，增强了电弧的能量释放，从而降低了CBV。研究还发现，在15 Ω负载时，电弧呈现“高功率、低电阻”的高导电状态。
5. 填充形状的影响： 模拟热失控时颗粒随机分布的情形，研究了三种填充形状。结果表明，CBV按正常填充（NF）、两端填充（FE）、中间填充（FM）的顺序递增。与正常填充相比，两端填充使CBV增加了15.1%，中间填充增加了31.5%。所有配置下的CBV仍远低于空气理论值（%）。原因在于电场分布的改变：正常填充时电场均匀；两端填充时，间隙中间的空气导致电场强度分布不均；中间填充时，电场梯度从电极尖端转移到中央填充区，迫使击穿路径跨越更长距离，因此需要最高的CBV。相应地，正常填充下的电弧电压、电流和电阻波动也小于其他两种不完全填充情况。
6. 颗粒诱导电弧临界电压图谱： 基于所有实验结果，研究构建了电极间隙、颗粒尺寸与击穿电压之间的三维关系图谱。该图谱直观显示，CBV与电极间隙正相关，与颗粒尺寸负相关。图谱可用于评估和指导电池系统电气安全设计：对于给定的颗粒尺寸，可以从图中读出在200 V、400 V、800 V等电压下防止电弧所需的最小电极间隙。如果实际工况参数落在击穿电压曲面下方，则可能发生颗粒诱导电弧事件。
四、研究结论与价值 本研究通过系统的实验，全面分析了LFP电池阴极材料诱导电弧的特性与演化规律，并得出以下核心结论： 1. LFP电池热失控喷射出的颗粒能够诱发电池系统的击穿电弧故障，其CBV可低至空气击穿电压的约4%，风险极高。 2. 电弧CBV与电极间隙、负载电阻呈正相关，与颗粒尺寸呈负相关。 3. 大于300 μm的颗粒是诱导电弧的关键因素，而填充形状通过改变电场分布影响CBV。 4. 为确保安全，800V电池系统的电极间隙设计应至少大于6.42 mm，并需考虑安全裕量。 5. 所构建的三维临界击穿电压相位图为预防颗粒诱导电弧的形成提供了直接的参数化设计工具。
本研究的科学价值在于首次系统性地揭示了LFP电池体系下颗粒诱导电弧的多参数耦合机制，量化了各关键因素的影响规律，弥补了该领域的研究空白。其应用价值突出体现在为储能电池系统的主动安全设计提供了关键数据和理论指导，例如：通过优化电池包结构，设计专用通道引导喷射气体远离电气连接；增强电气绝缘，增大电极间隙；在电池连接器结构设计中避免尖端以减轻电场畸变；利用热失控保护系统捕获大颗粒；以及在检测到单电池热失控时，通过增加回路负载电阻来抑制电弧能量等。
五、研究亮点 1. 研究对象聚焦关键风险： 针对大规模储能中主流的LFP电池，深入研究其热失控二次灾害中的颗粒诱导电弧机制，具有重要的现实意义和工程针对性。 2. 方法创新： 自主开发了适用于研究高温喷射颗粒环境的“固态颗粒电弧模拟器”实验平台，克服了传统方法的局限。 3. 系统性参数研究： 并非孤立研究单一因素，而是综合考虑了电极间隙、颗粒尺寸、负载电阻和填充形状四个关键参数的耦合影响，研究更为全面。 4. 极低击穿电压的定量揭示： 明确给出了LFP颗粒可将击穿电压降至空气4%的具体数据，定量化了其极端危险性。 5. 产出实用设计工具： 最终构建的“颗粒诱导电弧临界电压图谱”将复杂的研究结论转化为可供工程师直接参考的设计图谱，实现了从基础研究到工程应用的衔接。
六、其他有价值内容 研究在讨论中提及了电弧的动态行为，如稳定燃烧阶段观察到的由局部电极侵蚀引起的瞬时电弧熄灭和重燃现象，这反映了直流电弧系统在瞬态能量不平衡下的自我调节机制。此外，研究也指出了未来需要进一步探索的方向，例如在锂离子电池热失控过程中涉及气-液-固混合物共同作用的电弧诱导机制。随着大容量电池系统的普及，对电弧故障的测试和预防性结构设计应给予更多重视，以降低潜在风险。