关于锂离子电池热失控喷发颗粒诱导电弧故障的学术研究报告
一、 作者、机构及发表信息
本项研究由清华大学车辆与运载学院的 Cheng Li, Hewu Wang*, Yalun Li 和 Langguang Lu 共同完成。该成果以题为“Venting particle-induced arc of lithium-ion batteries during the thermal runaway”的学术论文形式，于2024年7月18日在线发表于国际期刊 eTransportation（第22卷，文章编号 100350）。Wang Hewu 教授为本文的通讯作者。
二、 研究背景与学术目标
本研究的科学领域属于锂离子电池安全，特别是其热失控过程引发的次生电气灾害机理研究。锂离子电池因其高能量密度等优势，广泛应用于新能源汽车和储能电站。然而，其热失控引发的火灾事故是公众关注的焦点。在这些事故中，电池系统（一个直流电气系统）的电气故障是关键问题之一。直流电弧是一种气体放电现象，其温度极高，足以熔化电池包壳体并点燃可燃物，还可能因提前引入空气而加速热失控传播。因此，研究电池系统在热失控过程中是否以及如何发生电弧故障至关重要。
尽管已有大量关于交流电弧的研究，但针对直流电弧，尤其是在电池系统中的研究尚不充分。现有文献多集中于电弧检测技术，少数安全规范（如UL 2580）规定了防止电气故障的最小电气间隙。然而，热失控过程中一个称为“泄压（venting）”的关键过程可能破坏原有的电气绝缘。热失控时，电池会喷射出大量高温、高速的排放物（包括气态、液态和固态），这些排放物（特别是固态颗粒）可能替换原有的空气介质，改变电极间距，并破坏带电部件的绝缘涂层，从而极大地增加击穿电弧的风险。前人研究已对喷发颗粒的形貌、成分、尺寸分布等特性进行了分析，但关于这些颗粒是否会直接诱发电池系统内部的电弧故障，以及其临界条件如何，尚不明确。此前关于气固混合物击穿电压的研究多针对数千伏高压和数百毫米长间隙，与电池系统的实际工况（数百伏，毫米级间隙）差异巨大。
因此，本研究旨在揭示并验证一种在电池系统内由热失控喷发颗粒诱发的、新型的直流击穿电弧故障模式——“泄压颗粒诱导电弧（venting particle-induced arc）”。具体研究目标包括：1）通过实验证实该电弧的存在；2）探究电极间距、颗粒尺寸和负载电阻对临界击穿电压及电弧特性的影响规律；3）构建基于颗粒尺寸和电极间距的临界电压图谱，为电池系统的电气安全设计和危害预防提供理论指导。
三、 详细研究流程与方法
本研究主要包含两个核心部分：热失控颗粒的收集与分类，以及电弧测试系统的构建与实验。
第一流程：热失控喷发颗粒的收集与分类。 1. 研究对象与准备：采用一个额定容量为117Ah、Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2 正极的方形三元锂离子电池作为研究对象。将其充电至100% SOC（荷电状态）。 2. 热失控实验与颗粒收集：实验在一个230升的密封腔体内进行。为模拟电池包内热失控传播时的高温环境并防止颗粒氧化，腔体首先被抽真空并充入氮气，重复操作使氧气浓度降至1%以下。然后将内部气氛预热至约160°C。接着，使用500W的加热器对被测电池进行侧向加热，直至其触发热失控。泄压过程结束后，几乎所有喷发颗粒沉降在腔体底部。待冷却后，收集这些沉降颗粒。 3. 颗粒分类与表征：使用筛网（32目、48目、150目、200目、270目，对应孔径分别为500, 300, 100, 75, 54微米）对收集的颗粒进行筛分。根据筛分结果，将颗粒分为六组：(a) 0–500 µm, (b) 300–500 µm, © 100–500 µm, (d) 75–100 µm, (e) 54–75 µm, (f) 0–54 µm。其中，组(a)代表了大多数喷发颗粒的实际尺寸分布。使用马尔文粒度分析仪测量各组颗粒的平均粒径（d）。此外，利用光学显微镜、能谱仪（EDS）和X射线衍射仪（XRD）对颗粒的形貌和成分进行了表征。EDS结果显示颗粒主要含C、O、F、Al、P、Mn、Co、Ni、Cu等元素，其中C元素（主要来自负极材料和电解液）含量最高（约70%），O元素次之（约15%）。XRD分析表明，C和Al元素主要以单质形式存在，O元素则可能以碳酸盐和金属氧化物（如NiO）形式存在。
第二流程：电弧测试系统构建与影响因素研究。 1. 实验系统设计：自主研制了一套直流电弧测试系统，以模拟电池系统工况。该系统主要包括：可调直流电源（最高400V，20A）、电弧发生区、可调负载电阻（R0，0-30Ω）、电流传感器以及高速数据采集仪（采样频率1kHz）。电弧发生区的核心是两个铝合金极板（模拟电池极耳或连接排），极板尺寸为50mm×23mm×2mm，安装在云母板上以确保绝缘。测试前，系统在无光源的密封容器中建立，以排除环境光干扰。 2. 测试方法与临界击穿电压定义：对于每次电弧测试，采用阶梯升压法。初始电压（V0）设为50V，然后每20秒升高10V，直至电弧发生。判断电弧发生的依据是电路电流（I）是否超过外部电压与电路电阻比值的一半。记录电弧发生前的最高电压（V1）和维持电弧所需的最低电压（V2）。临界击穿电压（CBV, Vc）定义为V1和V2的平均值，精度为±5V。测试中，颗粒被手动、松散地填充到电极间隙中。 3. 实验设计与变量控制：采用控制变量法，系统研究了三个因素对颗粒诱导电弧的影响： * 电极间距（d）：固定使用组(a)颗粒和20Ω负载电阻，改变电极间距为1， 2， 4， 6， 8， 10 mm。 * 颗粒尺寸（d）：固定电极间距为4 mm，负载电阻为20Ω，测试全部六组颗粒（a-f）。 * 负载电阻（R0）：固定使用组(a)颗粒和4 mm电极间距，改变负载电阻为10， 15， 20 Ω。 4. 电弧特性分析：在电弧稳定阶段，截取10-20秒的数据段，计算四个关键特性参数以评估电弧的电学和热学特性： * 平均电弧电压（Uavg） 和 平均电弧电阻（Ravg）：反映电弧的电学特性。 * 平均电弧功率（Pavg） 和 电极温度最大上升速率：反映电弧的热学特性和潜在危害。 5. 数据与结果分析方法：每个实验条件重复3-6次以确保结果可重复性。最终结果以平均值和误差范围表示。基于大量实验结果，通过拟合和插值方法，构建了关于电极间距和颗粒尺寸的“临界电压图谱”，并将其外推至更高电压水平（如1500V），用于指导安全设计。
四、 主要研究结果及其逻辑关系
1. 颗粒表征结果：筛分分析表明，约90%的沉降颗粒质量来自尺寸小于500 µm的颗粒。颗粒并非球形，表面粗糙多孔，且附着有少量铜和铝。随着颗粒尺寸减小，石墨的XRD衍射峰强度减弱，暗示较小颗粒的导电性可能较差。这些基础表征为后续的电弧易发性分析提供了物质基础：颗粒中含有导电性材料（如石墨、金属），但整体上颗粒本身并非良好导体（后续电弧测试前，电路电流几乎为零，证实了这一点）。
2. “泄压颗粒诱导电弧”的发现与案例研究：以（4 mm， 20Ω， a）条件为例，研究首次在电池系统电压水平（~400V）下观测并验证了这种新型电弧。当电压升至约155V（Vc）时，原本几乎不导电的颗粒介质被完全击穿，产生明亮的电弧。相比之下，在均匀电场空气中，4 mm间隙的理论击穿电压高达约13，350V。这一结果表明，热失控喷发的颗粒能将击穿电压降至空气条件下的约1%，使得在数个电池模块的电压下就可能诱发击穿电弧，极大增加了电池系统的电气风险。
3. 临界击穿电压的影响因素结果： * 电极间距（d）：在1-8 mm范围内，临界击穿电压（Vc）与电极间距呈正二次相关关系，拟合公式为 Vc = 2.36d^2 + 7.21d + 92.43。当d=1 mm时，Vc仅约99V；d=8 mm时，Vc约301V。在d=10 mm时，400V以下未发生电弧。等效平均电场强度（Ece,p）随间隙增大逐渐降低并稳定在0.37-0.39 kV/cm。与相同间隙下空气的击穿场强相比，风险指数（Ecr，air / Ece,p）在d≥4 mm时高达约86，意味着颗粒使击穿电压降至空气条件下的1.2%。 * 颗粒尺寸（d）：临界击穿电压与颗粒平均尺寸呈负相关。对于平均粒径大于100 µm的颗粒（组b， c， a），Vc相对较低（115V-160V）且变化不大；而对于小于100 µm的颗粒（组d， e），Vc随尺寸减小显著升高（最高达281V）。平均粒径仅23 µm的组(f)颗粒在d=4 mm、电压≤400V时未能诱发电弧。这表明，较大颗粒（>100 µm）的混入会显著促进电弧的发生。 * 负载电阻（R0）：在10-20 Ω范围内，负载电阻对临界击穿电压影响很小，变化幅度在±5%以内。
4. 电弧特性分析结果： * vs. 电极间距：在临界条件下，随着电极间距增大，平均电弧电压（Uavg）先增后趋于稳定（~40V），而平均电弧电阻（Ravg）呈下降趋势。同时，平均电弧功率（Pavg）和电极温升速率均与电极间距正相关。这是因为增大的Vc导致电路电流增加，释放的弧功率更大，加热了间隙介质，进一步降低了电弧电阻，形成了一个正反馈。 * vs. 颗粒尺寸：在d=4 mm时，Uavg基本稳定在35V左右，而Ravg与颗粒尺寸正相关。Pavg和电极温升速率则与颗粒尺寸负相关。这主要是由于较大颗粒对应的Vc较低，在临界条件下输入的总功率较小所致。 但需注意，较低Vc意味着电弧更易发生，其风险反而更高。 * vs. 负载电阻：负载电阻对Vc影响小，但对电弧能量释放影响显著。Ravg与负载电阻呈强线性正相关（Ravg = 0.23R0 + 0.79）。当负载电阻从10Ω增加到20Ω时，平均电弧功率下降了约50%，说明增大回路阻抗能有效分流电弧能量，降低热危害。
5. 临界电压图谱的构建：综合所有实验结果，研究绘制了基于电极间距和颗粒尺寸的临界击穿电压图谱。图谱清晰显示，临界击穿电压随电极间距增大而升高，随颗粒尺寸增大而降低。基于此图谱，可以针对特定系统电压（如400V或800V）和预期的颗粒尺寸，确定所需的最小安全电极间距。例如，对于组(a)颗粒（平均247 µm），在400V系统下防止电弧所需的最小理论电极间距约为10.51 mm；对于800V系统，则需约20.63 mm。
五、 研究结论与价值
本研究得出以下主要结论： 1. 揭示了一种新的故障模式：首次在电池系统400V电压水平下，发现并验证了由热失控喷发颗粒诱发的“泄压颗粒诱导电弧”。该电弧的临界击穿电压可降至均匀电场空气击穿电压的0.9%-2.3%，表明电池系统的电气安全设计需要更严格的标准。 2. 明确了关键影响因素：临界击穿电压与电极间距（1-8 mm内）呈正二次相关，与颗粒尺寸呈负相关，而与负载电阻基本无关。捕获尺寸超过100 µm的颗粒能有效抑制此类电弧。 3. 量化了电弧特性：提出了用于表征颗粒诱导电弧电热特性的四个参数（Uavg， Ravg， Pavg， 电极温升速率），并分析了它们随各因素的变化规律。 4. 提供了设计指导工具：构建了基于电极间距和颗粒尺寸的临界电压图谱，并提出了一种用于参数评估与设计的方法。研究指出，可通过增大电极间距和负载电阻、设计独立的泄压通道、强化电气绝缘以及捕集大颗粒等手段，来缓解或抑制颗粒诱导电弧的危害。
本研究的科学价值在于深入揭示了锂离子电池热失控过程中一种先前被忽视的次生电气灾害的物理机制与临界条件，填补了该领域的研究空白。其应用价值在于为新能源汽车和储能电站的电池包电气安全设计、安全标准修订以及热失控火灾事故调查提供了重要的理论依据和具体的工程指导。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
研究在讨论部分指出，当前工作主要针对特定正极材料（NCM811）和满充状态（100% SOC）的电池。未来需要进一步研究不同正极材料（如LFP）、不同荷电状态（SOC）对喷发颗粒特性及诱导电弧倾向的影响。此外，热失控过程中的液态排放物对电弧故障的影响也值得探索。同时，电弧故障本身对电池热失控传播的反馈影响（如提供额外热源）也将是重要的研究方向。这些展望为后续研究指明了方向。