本报告对Wenqiang Xu、Kai Zhou、Yalun Li等作者发表于《Applied Energy》期刊（2025年卷377期，文章号124562）的最新研究进行介绍。该研究聚焦于圆柱形锂离子电池（Lithium-ion batteries, LIBs）中串联电弧的演化规律及其诱发的电池失效模式，是一项深入的原创性实验研究。
主要作者与研究机构 本研究的通讯作者为哈尔滨理工大学（Harbin University of Science and Technology）的Kai Zhou与清华大学（Tsinghua University）车辆与运载学院的Yalun Li。第一作者为哈尔滨理工大学与清华大学联合培养的Wenqiang Xu。研究团队还包括哈尔滨理工大学、清华大学、河北工业大学（Hebei University of Technology）及北京理工大学（Beijing Institute of Technology）等多所高校的研究人员。该成果于2024年9月26日在《Applied Energy》期刊在线发表，定于2025年正式出版。
学术背景与研究目的 随着储能系统（Energy Storage Station, ESS）和电动汽车（Electric Vehicle, EV）中电池系统电压等级的不断提升（通常为400V至1500V），电气安全问题日益受到关注。由电池连接器松动或断裂等电气故障引发的串联电弧故障（Series Arc Fault）问题愈发严重。相比于故障电流远超正常运行电流的并联电弧和接地电弧，串联电弧往往仅导致回路电流小幅下降，这使得传统的过流保护装置难以动作，而电池管理系统（Battery Management System, BMS）也难以准确检测。此外，持续燃烧的高压电弧温度可超过6000 K，对电池端子和连接器产生严重的电化学侵蚀，威胁电池寿命和系统安全稳定运行，甚至可能诱发热失控和火灾风险。尽管在光伏（Photovoltaic, PV）和微电网系统中对串联电弧已有较多研究，但在电池系统，尤其是圆柱形锂离子电池内部，关于电弧的演化规律及其与电池相互作用、最终导致电池失效的具体路径研究仍处于早期阶段。因此，本研究旨在填补这一空白，通过建立实验平台，模拟由连接器松动或断裂引发的串联电弧故障，系统研究在不同供电电压、回路电流和电池荷电状态（State of Charge, SOC）条件下，电弧在电池正极端子处的演化规律，深入分析电弧对电池产生的危害效应，揭示其诱发的电池失效机理，并基于危害程度进行分类，为后续电弧检测方法和电池系统电弧防护性能的提升提供至关重要的科学依据。
详细研究流程 本研究的工作流程主要包含三个核心部分：实验平台搭建与改进、不同条件下的电弧实验、以及失效电池的多手段综合分析。
1. 电弧模拟实验平台与改进型电弧故障发生器的建立 为研究电池系统中的电弧演化机制，首要任务是构建能够激发电弧的实验平台。实验主电路主要包括直流电源（模拟不同输出电压的电池系统）、负载、测量设备以及一个核心装置——电弧故障发生器（Arc Fault Generator, AFG）。直流电源与电子负载用于设定并控制回路电压（Udc）和电流（Idc）。霍尔电流传感器与高速数据采集单元用于实时记录电弧电压（Uarc）、回路电流和温度等参数，采样频率为1 kS/s。高速相机用于从主视角观察电弧演化行为，帧率为1000帧/秒。
本研究的创新点之一是对传统AFG进行了针对性改进。传统AFG主要用于研究两个独立电极间的电弧特性，无法模拟电池端子与外壳之间等电池系统内部的电弧故障。研究团队将AFG的固定电极和绝缘夹具改造为一个可调节平台，通过升降和水平旋钮可以移动并固定电池，从而使得可动电极能与电池壳体、正负极端子等不同位置形成电弧。这种改进后的AFG能够有效激发电池系统内部不同位置的电弧故障，并适用于方形、圆柱形、软包等多种电池构型。
2. 实验设计与执行过程 本研究选用松下（Panasonic）21700圆柱形锂离子电池（NCM正极材料，容量4.8 Ah）作为研究对象。实验聚焦于模拟电池连接片松动或断裂导致的电弧故障，因此选择电池正极端子（顶盖）作为电弧激发位置。鉴于正极连接片通常为铝材，可动电极材料也选用铝，并将其一端打磨成锥形以利引弧。
实验步骤具体如下： * 电路连接与电池固定：按照主电路图连接所有设备。将圆柱电池用固定旋钮固定在AFG的调节平台上，调整旋钮使电池正极端子与可动电极尖端紧密接触，确保电路导通。在电池与调节平台之间使用云母板进行绝缘。 * 参数设定：根据实验需求预设初始操作条件。关键变量包括：供电电压Udc（100 V, 150 V, 200 V, 300 V, 400 V, 500 V）、回路电流（通过电子负载设置为2C或4C）、电池SOC（0%， 30%， 60%， 100%）。AFG的参数设定为：步进电机移动速度V为0.136 mm/s，电极分离间隙L为0.5 mm。在距离电弧发生点约4 mm处布置热电偶以测量温度变化。 * 实验执行与数据采集：为确保安全，AFG置于防爆箱内。电路正确连接并上电后，控制可动电极与电池端子分离。在电压和电流作用下，空气被击穿产生电弧。同时，高速相机、数据采集单元等设备同步采集电弧图像、电压、电流和温度数据。每次实验前更换铝电极以保证电弧稳定性。
3. 结果分析与失效机理探究流程 获取实验数据后，研究团队通过多角度、多层次的分析方法来揭示电弧与电池的相互作用及失效路径： * 电气与图像分析：首先分析不同条件下（电压、电流、SOC）的电弧电压、电流波形、电弧功率变化以及高速相机记录的演化图像，总结电弧的稳定性、持续时间和剧烈程度等宏观规律。 * 表面成分分析（XPS）：使用X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）对比分析完整电池顶盖和电弧实验后残留物的成分，以确定电弧高温引入的新物质，推断火花溅射物的主要构成。 * 计算机断层扫描（CT）：使用计算机X射线断层扫描设备（Computer X-ray Tomography, CT）对失效电池进行无损扫描，观察电池内部结构变化，如顶盖穿孔、密封绝缘圈状态、正极耳与集流盘连接状态、顶盖与壳体是否接触等，从而识别不同的失效模式。 * 电池拆解验证：对CT扫描识别的不同失效模式的电池进行物理拆解，从负极开始以保持正极结构完整。目视检查密封绝缘圈的颜色与熔化状态、正极耳与集流盘的焊接情况，并测量拆解后电芯的电压，以验证CT推断并获取更多细节信息。 * 电路理论分析：基于基尔霍夫电压定律（Kirchhoff Voltage Law, KVL）和电流定律（Kirchhoff Current Law, KCL），对电池在充电、电弧加热、外短路故障、内开路故障等不同阶段的等效电路进行建模和定量计算，求解短路电流、内阻产生的焦耳热等关键参数，从理论上解释失效过程。
主要研究结果 1. 供电电压与回路电流对电弧及电池损伤的影响 实验发现，当供电电压为100 V和150 V时，仅能产生不稳定的瞬时火花，无法维持稳定燃烧的电弧。当供电电压达到200 V及以上（至500 V）时，能够产生稳定的燃烧电弧。无论供电电压如何变化，激发并维持电弧所需的最小电弧电压（Uarc,min）基本稳定在15.1 ± 0.5 V左右，这主要取决于电极材料和周围气氛。
比较不同电压（200V vs 400V）和不同电流（2C vs 4C）组合下的实验结果发现：提高供电电压（如从200V增至400V）对电弧总持续时间和电池顶盖上的烧蚀痕迹直径影响不显著；然而，提高回路电流（如从2C增至4C）会显著缩短电弧持续时间，并急剧增大在电池顶盖上熔穿形成的孔洞直径。例如，在400V供电下，电流从2C增至4C，电弧持续时间从4.588秒缩短至0.603秒，而孔洞直径则从535.28微米暴增至1763.15微米。
分析表明，其原因在于更高的回路电流导致电弧功率成倍增加（4C时约为2C时的两倍）。高功率电弧需要消耗更多的铝材（电极和顶盖）来维持燃烧，演化行为更剧烈，产生更耀眼的弧光和大量的金属颗粒溅射。这会迅速熔穿电池顶盖形成孔洞，导致电弧的阴极（电池顶盖）材料快速消耗甚至结构改变，从而使电弧提前熄灭。因此，增大回路电流对电池的烧蚀破坏作用远强于提高供电电压。
2. 电池SOC对电弧过程的影响 在不同SOC（0%， 30%， 60%， 100%）的电池上进行实验（固定200 V， 2C条件）发现，电池的SOC水平对电弧本身的演化过程（如持续时间）没有显著影响。然而，除了0% SOC的电池外，其余SOC的电池在电弧作用后均发生了电解液泄漏。CT扫描显示，0% SOC电池的顶盖仅受损但未形成贯穿孔洞，因此电解液未泄漏。
所有SOC条件下的电池电压曲线都呈现出一个共同特征：电压先快速降至约0.6–0.7 V，随后在短时间内迅速降至0 V。这表明，在200 V供电和2C充电电流条件下，无论SOC高低，圆柱电池都会因电弧而失效，且失效过程可能包含先短路后开路两个阶段。
3. 电弧诱发的电池失效路径与模式 通过CT扫描、拆解和电路分析的综合手段，研究揭示了电弧可诱发的三种具体失效模式： * 类型 I（较低危害）：电弧持续时间较短，其高温熔穿电池顶盖形成孔洞，并损坏密封绝缘圈。由于孔洞存在，电池内部发生电解液泄漏。但电池的正负极并未直接连通，电芯仍保有电压和充放电功能。 * 类型 II（中度危害）：电弧持续时间较长。在类型I的基础上，电弧持续的高温使密封绝缘圈熔化失效，同时导致顶盖热膨胀向上突起，与电池壳体（负极）接触，造成电池外部正负极短路。短路产生的高电流（计算值可达-64 A至-78 A，负号表示从充电转为放电）迅速熔断了连接电芯与顶盖的正极耳，导致电池内部开路。此时电池电压最终降至0 V。研究定量发现，电池SOC越高，短路放电电流越大，熔断正极耳所需的时间（tshort）越短（从0% SOC的0.475秒缩短至100% SOC的0.118秒），电池内阻和壳体产生的焦耳热也相应减少。这意味着高SOC电池的短路电流能更快地“自我熔断”以隔绝危险。 * 类型 III（严重危害）：电弧过程与类型II类似，也引发了外部短路。但由于制造工艺差异，短路高电流未能熔断正极耳。这导致电池持续处于短路放电状态，在焦耳热效应下，电池温度持续升高（实验中外壳中心点最高温达98.1°C并维持），直至电量放尽。这种模式会引发电池持续高温，加速相邻电池的绝缘老化和材料失效，具有引发热蔓延的更高风险。
XPS分析证实，电弧高温引入了Li、F、Cl、N、P等元素，它们来源于被熔化的密封绝缘圈以及泄漏的LiPF6电解液。电弧火花的主要成分包括铝、铝的氧化物、合金以及少量的LiF、LiCl和P-O化合物。
研究结论与价值 本研究系统性地研究了圆柱形锂离子电池中串联电弧故障的危害。主要结论如下： 1. 电弧是诱发电池失效的新因素：在电池系统电压200V、回路电流2C的条件下，串联电弧能够在不同SOC的电池上激发并维持。电弧的高温可直接熔穿电池壳体，造成电解液泄漏。 2. 揭示了三种具体的失效路径：除了造成孔洞和漏液（类型I），电弧还可能通过持续加热引发电池外部短路，进而可能因短路电流熔断极耳导致内部开路（类型II），或因极耳未熔断导致电池持续放电升温（类型III）。 3. 阐明了关键参数的影响：供电电压和电池SOC对电弧演化过程影响不显著。但更高的回路电流会急剧增大电弧的危害性，更快地熔穿壳体。同时，电池SOC影响了短路失效的动态过程，高SOC带来的大短路电流反而可能更快地熔断内部连接，阻止危害进一步传播。 4. 提出了危害分级与处理策略：根据失效模式，将电弧危害分为“较低危害”（仅漏液）、“中度危害”（短路伴随开路）和“严重危害”（持续短路导致高温）。针对不同级别，提出了“及时排查更换故障电芯”和“立即切断系统电源并更换电芯”等处理建议。
本研究的科学价值在于首次系统实验并阐明了圆柱形锂离子电池内部串联电弧的演化规律及其与电池相互作用的失效机理，填补了电池系统电弧安全领域的知识空白。其应用价值在于为电池管理系统开发更精准的电弧故障检测算法、设计更有效的电弧防护措施（例如针对高电流变化率、特定光谱或气体成分进行监测）以及制定相应的安全标准提供了关键的理论依据和实验数据支撑。
研究亮点 1. 方法创新：改进并建立了能够模拟电池内部特定位置（如端子对壳体）电弧故障的实验平台，为相关研究提供了有效的工具。 2. 研究系统性：综合考虑了电压、电流、SOC等多个实际变量，并结合电气测量、高速成像、CT、XPS、拆解、电路建模等多种分析手段，对电弧诱发的电池失效进行了全景式、多层次的深入剖析。 3. 发现新颖性：明确识别并详细描述了由电弧引发的三种不同电池失效模式及其转换条件，特别是揭示了“短路电流未能熔断极耳”这一可能导致持续高温风险的严重失效模式（类型III），这是以往研究未充分关注的。 4. 结论的实践指导性：不仅停留在机理揭示，更进一步对危害程度进行了分级，并提出了对应的系统处理策略，直接将基础研究成果与工程安全应用联系起来。
其他有价值内容 论文在讨论中指出，本研究所用圆柱电池容量较小，其结论对更大容量的方形电池的适用性可能有所不同。未来研究可以通过随机组合不同封装形式和高低容量电池进行电弧实验，以丰富对电池系统电弧行为的理解。同时强调，电弧研究的最终目标是提升电池系统安全性，未来工作应致力于深刻理解电弧行为、分析其特征现象、开发更精确的电弧模拟、检测与预警系统，并改进电池系统结构设计以预防潜在电弧危害，同时加快相关的标准化和法规制定进程。