本研究由来自中国石油大学（华东）海洋工程与安全技术中心的张悦、任显通、孔德鹏、尹晓康，化学工程学院的平平，以及大连理工大学精细化工国家重点实验室的高伟共同完成。研究成果以《锂离子电池热失控喷射物诱发电弧的特征与生成机理》（”Characteristics and generation mechanism of ejecta-induced arc for lithium-ion battery during thermal runaway”）为题，发表于eTransportation期刊的2025年第24卷（文章编号100429）。该论文于2024年11月7日投稿，经过修订后于2025年4月24日被接受，并于2025年4月25日在线发布。
本研究的学术领域聚焦于锂离子电池（LIB）安全，特别是电池系统在极端失效情景下的电气故障机理。随着锂离子电池在储能系统（BESS）和电动汽车（EVs）中的广泛应用，其安全风险，尤其是热失控（Thermal Runaway）引发的连锁故障，已成为制约产业发展的关键瓶颈。以往研究表明，电气故障（如电弧）是引发电池失效和热失控的重要因素之一。电弧通常与连接松动、绝缘损坏等情况相关。然而，在电池热失控喷射过程中，从电池内部喷出的高温、含金属的颗粒和碎片（统称喷射物，ejecta）可能改变电极间隙介质的绝缘性能，从而在远低于空气击穿电压的条件下诱发电弧（ejecta-induced arc）。尽管已有研究观察到这一现象，但关于电弧触发的临界条件、详细电气特征、不同喷射物（颗粒 vs. 碎片）的作用机制以及系统性安全防护边界的研究尚属空白。因此，本研究旨在填补这一知识缺口，通过实验系统研究电池喷射物诱发电弧的现象、电气特性、临界条件与生成机理，并为电池系统的电弧防护安全设计提供科学依据和量化指导。
本研究的工作流程包含以下几个详细步骤： 步骤一：实验平台构建与条件设定。 研究团队搭建了一个集成了电池热失控测试台和电弧诱发电路的实验平台。热失控测试台使用额定容量58Ah、工作电压2.75-4.35V的商用方形NCM523锂离子电池作为研究对象。电池被钢制夹具固定，并通过一个500W的加热片对其进行加热以触发热失控。在电池安全阀上方3厘米处，平行放置两个铜电极，模拟电池模块顶部与盖板之间的有限空间，或模块内因绝缘失效、连接断开而可能产生击穿的场景。电弧诱发电路由一个400V/20A的直流稳压电源、一个10Ω/5000W的负载电阻以及连接电极的导线构成。实验通过高采样频率（12.5 kHz）的示波器和探头测量电弧电压与电流，并使用50Hz的数码相机记录实验现象。为确保结果可比性，预实验确定了加热功率为500W时，电池喷射行为（同时发生泄压和剧烈颗粒喷射）具有良好的一致性和可重复性。正式实验条件基于预实验结果设定，主要研究了电压（50V, 100V, 200V, 400V）和电极间距（3mm, 5mm, 7mm）的组合影响。每种条件至少重复两次实验，并选取更严重的一次进行分析。
步骤二：电弧现象观察与临界条件确定。 在加热触发电池热失控后，观察喷射物诱发电弧的全过程。实验发现，在喷射初期，伴随着熔融物质的高速喷射，电极间会发生击穿并产生强烈的紫色弧光。喷发剧烈阶段仅持续数秒，随后转为以气体释放为主的喷射火焰，不再诱发电弧。这表明固体颗粒物在电弧诱发中起主导作用，而非喷射气体。通过对比不同电压和间距下的实验现象，研究团队绘制了电弧发生的临界条件表。结果显示，当电极间距小于等于5mm时，低至50V的电压即可诱发电弧；当间距增大至7mm时，需要400V电压才能诱发，而200V电压则无法诱发。与空气介质的击穿电压（7mm间距约22kV）相比，电池喷射物将击穿电压降至约1%，显著增加了电气故障风险。
步骤三：电弧电气特性采集与分析。 利用高频数据采集设备，获取了每次电弧事件发生时的电压、电流瞬时波形。基于欧姆定律计算了等效电弧电阻。分析发现，所有实验条件下均发生了电弧，但电弧事件的数量差异显著。在案例2（100V，3mm）和案例6（200V，5mm）中，电弧次数异常增多（分别为67次和24次），远高于其他案例（2-12次）。通过检查实验后电极图像，发现这两个案例中均有喷射出的铜箔碎片卡在电极表面，这等效于缩短了电极间距，从而更易多次诱发电弧。这一观察首次直观揭示了碎片在诱发电弧中的关键作用。进一步，研究团队对单个电弧事件的电气信号进行深入分析，根据电弧电阻和持续时间的不同特征，识别出三种主要的电弧模式（arcing mode）：1) 颗粒主导模式（Particles dominant）：电弧持续时间极短（通常<0.5ms），电弧电阻较高，可达约70Ω。2) 碎片主导模式（Pieces dominant）：电弧持续时间长（可达30ms以上），电弧电阻极低，通常为0.2-0.5Ω。3) 组合模式（Combination）：电气特性介于前两者之间，电阻和持续时间适中。
步骤四：电池喷射物的成分与电阻特性分析。 为探究不同电弧模式的物理根源，研究团队系统收集并分析了热失控后喷射出的颗粒和碎片。通过筛分发现，尺寸大于2mm的碎片（主要是铝箔和铜箔）仅占总质量的5.78%，但其尺寸可达20mm以上。EDS元素分析显示，小颗粒主要由C、O、F及正极材料元素（Ni, Co, Mn）组成；而大尺寸碎片区域则富含Al和Cu元素。关键的电阻测量采用了四探针法（对颗粒）和高精度内阻仪（对金属碎片）。结果表明，在模拟喷射压力下（低于2.5MPa），颗粒样品的保守估计电阻率下限值为17.3 Ω/cm。据此计算，在电极半径为3mm、间距为3mm和5mm时，纯颗粒路径的理论电阻分别不低于18.4Ω和30.6Ω。而实测的铜片和铝片电阻仅为1.11-3.99 mΩ和1.44-2.33 mΩ，比颗粒电阻低了四个数量级。这一数据强有力地证实了之前的推断：低电阻、长持续时间的模式3电弧是由金属碎片主导的；高电阻的模式1电弧主要由颗粒引起；而电阻介于两者之间、数量最多的模式2电弧，则是颗粒和碎片共同作用的结果。
步骤五：电弧机理归纳与安全边界推导。 综合以上实验结果，研究团队系统阐述了电池喷射物诱发电弧的机理。三种模式的产生取决于喷射物的性质和状态：高速飞行的导电颗粒能降低介质击穿电压，但由于颗粒间存在大量气隙且飞行速度快，导致电弧电阻高、持续时间短；具有柔性的金属碎片可能卡在电极上，大幅缩短甚至直接桥接电极间距，形成低电阻、长持续时间的稳定导电路径；大多数情况是颗粒流中夹杂着碎片，共同作用诱发组合模式电弧。研究强调，尽管碎片质量占比较小，但其在诱发电弧方面的影响远大于颗粒，因为碎片能导致更频繁、能量更高的电弧事件。基于临界实验条件（200V电压下，7mm间距为电弧发生的临界点），研究团队从电场强度角度推导了防止喷射物诱发电弧的安全边界。假设诱发物为点电荷，计算得到电极间最大电场强度，并令其不小于临界击穿电场强度，最终推导出临界电压（Uc）与电极间距（L）的平方成正比关系：Uc ≥ 4.08L^2（L ≥ 7mm）。根据此公式，可以绘制出针对不同系统电压所需的最小安全电气间隙。例如，对于典型的400V、800V和1500V系统，防止喷射物诱发电弧所需的最小电极间距分别为9.9mm、14.0mm和19.2mm。
本研究的结论明确且具有重要价值。主要结论包括：1）电池喷射物可在特定电压和间距条件下诱发电弧，其亮度和能量随电压升高而增加。临界条件为：间距≤5mm时，≥50V可诱发；间距7mm时，需≥400V。2）电极表面卡住碎片会显著增加电弧次数。根据电阻和持续时间差异，可将电弧分为颗粒主导、碎片主导和组合三种模式。3）喷射物中碎片虽质量占比小，但其极低的电阻使其在电弧诱发中扮演比颗粒更关键的角色。4）基于临界电场强度推导出的安全边界公式Uc ≥ 4.08L^2，为电池系统（如EVs和BESS）的电弧防护设计提供了直接的量化参考依据，即需要根据系统工作电压确保足够的电气间隙。
本研究的科学价值在于首次系统性地揭示了锂离子电池热失控喷射物诱发电弧的详细特征、清晰区分了颗粒与碎片的不同作用机制、并建立了基于物理原理的安全防护量化模型。其应用价值则直接体现在工程实践上：该研究警示电池系统设计者不仅要关注颗粒扩散和毒性，更需高度重视大尺寸电极碎片的产生与控制；在防护设计上，应综合考虑增大电气间隙、加强绝缘保护、以及采取物理措施捕获或导流喷射物（特别是大碎片）等多重策略。这为提升锂离子电池储能系统和电动汽车的整体安全性提供了新的关键视角和具体的设计指南。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：重要发现方面：明确区分并实验验证了喷射物诱发电弧的三种模式，特别是首次通过电阻测量和数据对比，强有力地证明了金属碎片是导致长持续时间、低电阻、高危害性电弧的主要元凶。方法新颖性方面：创新性地将电池热失控实验与高频电气测量、喷射物成分与电阻物性分析相结合，构成了从现象观测、特性分析到机理追溯的完整证据链。研究流程严谨，数据支撑充分。研究对象的特殊性：聚焦于“喷射物诱发”这一此前未被深入研究的特殊电弧故障场景，填补了电池安全领域的一个重要空白。成果的实用性：研究并未止步于机理揭示，而是进一步推导出了具有明确工程指导意义的“电压-间距”安全边界公式，使学术成果能够直接转化为设计规范，价值显著。此外，文中关于电弧能量和功率的分析（例如200V电压下电弧功率可达1314.4W，远超此前研究提出的110-440W电池安全阀破坏边界）也进一步凸显了此类电弧对电池本体的直接破坏风险，增强了研究的警示意义。