本文档所介绍的是一项由多位研究者共同完成的单一原创性研究。该研究关注锂离子电池在热失控（Thermal Runaway）过程中的复杂多相喷射现象，特别是固体颗粒的排放行为，并开发了一个新颖的多尺度模型来揭示和预测这一过程。以下是对该研究的学术报告。
第一， 主要作者、机构及发表信息 本研究由中国石油大学（华东）海洋工程与安全技术中心（Center for Offshore Engineering and Safety Technology, China University of Petroleum (East China)）的王功权、孔德鹏等人领衔，合作者包括中国石油大学（华东）化工学院的平萍以及英国萨里大学（University of Surrey）的Jennifer Wen等学者。 该研究成果以题为“揭示热失控过程中锂离子电池的颗粒排放：面向多相过程的多尺度模型” (Revealing particle venting of lithium-ion batteries during thermal runaway: a multi-scale model toward multiphase process) 的论文形式，发表于2023年的学术期刊 《eTransportation》第16卷 (eTransportation 16 (2023) 100237)。该期刊是爱思唯尔（Elsevier）旗下的开放获取期刊。
第二， 学术背景与研究目标 研究领域与背景知识： 该研究属于锂离子电池安全与热管理领域。锂离子电池因其高能量密度等优点被广泛应用于电动汽车和储能系统，但其热安全风险，特别是由机械损伤、过充、过热等滥用条件引发的热失控（TR），是阻碍其大规模应用的重大障碍。热失控过程中，电池内部会发生一系列链式放热反应，产生大量热量和可燃气体，最终导致安全阀开启，喷射出气体、液体电解质和固体颗粒。过去的研究和模型多集中于热失控的触发机制、内部反应动力学以及气体喷射行为，而对于伴随喷射过程产生的固体颗粒（其来源、生成、运动及最终归宿）的关注和建模严重不足。然而，这些高温颗粒在电池模组内可能作为“火种”引燃喷射出的可燃气体，导致火灾传播，加剧热失控蔓延的危害。因此，理解并预测颗粒排放行为对于电池包的热安全设计至关重要。
研究动机与目标： 基于上述背景，作者指出现有模型在预测包含颗粒喷射在内的完整热失控多相过程方面存在不足。他们提出了几个核心开放性问题：颗粒是如何产生的？颗粒与气体如何相互作用？颗粒的最终去向是什么？为了回答这些问题，本研究旨在开发一个覆盖热失控全过程（从内部化学反应到外部多相流）的多尺度、多物理场模型，首次将固体颗粒的生成、喷射、扩散和沉积过程纳入统一的预测框架中，以更全面地理解电池泄压机制，并为电池包的热安全设计与防护提供新的理论参考。
第三， 详细研究流程与方法 本研究采用实验与数值模拟相结合的方法，整体工作流程包括模型框架构建、实验数据获取、模型设置与验证、以及结果分析与讨论四个主要阶段。具体流程详述如下：
1. 多尺度模型框架构建： 这是本研究的核心创新部分。作者提出了一个三层级的耦合模型框架，分别对应电池内部、气液界面/顶部空间、以及外部环境三个物理尺度。 * 卷芯尺度（Jelly Roll Scale）建模： 专注于电池内部。采用集总参数模型（Lumped Model）来描述热失控的链式放热反应（如SEI膜分解、负极与电解液反应、正极分解等）及其伴随的气体生成（CO, CO₂, H₂, 烷烃等）。通过能量守恒方程和反应动力学方程计算电池温度上升和反应气体生成速率。关键创新在于构建了一个气体生成矩阵（ωi,j），定量关联了不同滥用反应与各种气体组分的生成量。 * 相界面与顶部空间尺度（Phase Interface and Headspace Scale）建模： 处理电池内部材料的状态转变与输运。此部分模型描述了： * 电解液转换： 包括参与化学反应的消耗以及受热蒸发为蒸汽的过程。蒸发速率采用Tanasawa相变模型结合Antoine方程计算饱和蒸汽压。 * 压力累积与泄压： 基于理想气体状态方程，综合考虑反应气体和电解液蒸汽的生成，计算电池内部压力上升。当压力达到安全阀开启阈值（1.45 MPa）时，使用基于等熵喷嘴流动方程的变体计算喷射气体的速度和流量。 * 固体颗粒夹带： 这是本模型的新增关键子模型。作者基于文献中的X射线成像观察，推断出颗粒产生的机制（电极材料因压力差和粘结剂降解而破碎、随气泡通道运动至顶部空间）。颗粒的质量流量被建模为与喷射气体速度相关的经验函数（ṁs = a·Av·u^b），其系数通过后续实验测量的总质量损失数据进行标定。 * 环境尺度（Ambience Scale）建模： 模拟泄压阀开启后，气体和颗粒在外部空间的运动。 * 气相模型： 采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics， CFD）方法，求解包含湍流（标准k-ε模型）的守恒方程（质量、动量、能量、组分），模拟喷射气流的速度场、温度场和组分浓度场。 * 颗粒相模型： 采用离散相模型（Discrete Phase Model， DPM），基于欧拉-拉格朗日框架。将颗粒视为离散相，通过求解牛顿第二定律计算每个颗粒（或代表一组颗粒的“包裹”）在气流拖曳力、重力、浮力、Saffman升力等作用下的运动轨迹。同时考虑了颗粒与环境的对流和辐射换热。
这三个尺度的模型通过动态边界条件进行耦合：电池尺度模型计算出的温度、压力、气体与颗粒喷射速率等时变参数，作为CFD-DPM模拟的入口边界条件，从而将内部过程与外部流场无缝连接。
2. 实验设计与数据获取： 为验证模型和提供输入参数，研究团队设计并进行了两组关键实验。 * 实验一：热失控特征参数获取与射流可视化 * 研究对象： 一块商用棱柱形磷酸铁锂（LiFePO₄）电池（容量27Ah，质量625g），充电至100%荷电状态（SOC）。 * 实验方法： 在燃烧室内，使用2000W的加热板对电池侧面进行加热以触发热失控。实验装置集成了多种测量手段： 1. 温度测量： 使用K型热电偶监测电池表面温度。 2. 速度与质量损失测量： 在电池泄压阀上方安装整流通道和皮托管（Pitot tube），同时将整个测量系统置于电子天平上。通过联立皮托管测压方程和天平力平衡方程（考虑了射流反冲力的影响），解算出更准确的实时喷射速度和质量损失率。 3. 射流形态可视化： 移除整流装置，采用平面激光散射（Planar Laser Scattering， PLS）技术。使用520nm波长的片状激光照射喷射羽流，并通过高速摄像机记录颗粒和液滴对激光的散射光，从而直观观察射流形态（如扩张角、轮廓）的时序演化。 * 实验二：喷射颗粒特性表征 * 研究对象： 同型号电池在自制密封舱内触发热失控后沉积的颗粒。 * 实验方法： 热失控后，收集沉积在舱内各表面的所有固体颗粒。对颗粒样本进行以下分析： 1. 筛分与称重： 使用不同目数的筛网（10目、20目、60目）将颗粒分为四个粒径范围的样本（#1至#4），并称量各样本质量，获得颗粒的质量分布。 2. 形貌观察： 使用扫描电子显微镜（SEM）和光学显微镜观察不同样本的颗粒形貌。 3. 粒径分布分析： 使用激光粒度分析仪测量原始（未研磨）颗粒样本的粒径分布。结果显示粒径呈双峰分布，作者使用两个对数正态分布曲线进行拟合，获得了用于DPM模拟的粒径分布函数关键参数（中位径dm和标准差σ）。这些数据直接作为模型中颗粒初始粒径分布的输入。
3. 模型设置与数值计算： 基于OpenFOAM开源CFD平台实现上述多尺度模型。计算域为2m x 2m x 2m的立方体空间，模拟燃烧室环境。利用几何对称性减少计算量。网格最小尺寸为2mm，确保大于模型中设定的最大颗粒直径（0.5mm）。边界条件严格根据实验和理论计算设定，特别是泄压阀入口处的动态速度、温度、质量流量和颗粒喷射条件。
4. 数据分析流程： 首先，将实验一测得的电池温度、喷射速度、总质量损失曲线与模型预测结果进行定量对比，验证模型的准确性。其次，将实验一通过PLS技术观察到的射流形态时序演化（如锥形轮廓、扩张角）与模拟得到的气体温度场/颗粒云图进行定性对比。最后，利用验证后的模型，深入分析实验难以直接测量的过程细节，如各组分（电解液蒸汽、各反应气体、固体颗粒）对质量损失的贡献比例、颗粒在空间内的扩散与沉积行为、以及通风条件对颗粒清除效果的影响。
第四， 主要研究结果 本研究获得了多方面的重要结果，系统地回答了研究背景中提出的问题。
1. 模型验证结果： 模型在关键参数预测上表现出良好的准确性。 * 温度与压力： 模拟的电池表面温度演化曲线与实验测量值高度吻合，成功预测了峰值温度（371.2°C），相对误差低于1%。模拟也再现了内部压力累积直至安全阀开启、以及在热失控阶段达到第二个压力峰值的全过程。 * 喷射速度： 模拟捕捉到了两次剧烈的喷射事件：安全阀开启瞬间（预测46.20 m/s， 实验55.21 m/s）和热失控阶段（预测13.19 m/s， 实验14.50 m/s）。相对误差分别为16.3%和9.03%。虽然在过渡阶段模拟的速度曲线比实验更平滑（因模型未考虑卷芯内部反应传播的不均匀性），但整体趋势一致。 * 质量损失： 模拟的电池总质量损失演化与电子天平测量结果高度一致，标准偏差低于3%，总质量损失相对误差小于1%。模型成功区分了气体（电解液蒸汽+反应气体）和固体颗粒对质量损失的贡献。 * 射流形态： 模拟显示的颗粒/气体羽流形态时序演化与PLS可视化结果定性吻合。两者均清晰观测到两次明显的倒锥形射流轮廓，分别对应安全阀开启和热失控事件。模型预测的射流扩张角（如第一次喷射约53.2°）与实验观测值（约61.6°）接近。
2. 多相组分转化与守恒分析（模型揭示的新见解）： * 质量损失构成： 模拟显示，整个热失控过程总质量损失为139.96g。其中，电解液蒸汽贡献最大（70.69g， 占50.5%），其次是固体颗粒（53.83g， 占38.4%），反应气体仅占11.1%（15.44g）。这量化了颗粒排放的重要性。 * 时序贡献变化： 在安全阀初次开启时，喷射物以电解液蒸汽、SEI分解产生的CO₂和C₂H₄为主。而在热失控阶段，由于电解液已大量消耗，反应气体（H₂， CO， CO₂， 烃类）成为气相释放的主体。一个关键发现是：在热失控阶段，电解液已基本耗尽，不再以蒸汽形式大量喷出。 这为以往射流火灾模拟中常忽略电解液可燃性的做法提供了合理解释。 * 电解液转化路径： 模型追踪了电解液从液态到蒸汽，再到参与反应被消耗的完整路径。最终，约80.8%的原始电解液转化为蒸汽喷出，19.2%参与化学反应转化为气体产物。
3. 射流特性与颗粒动力学（模型揭示的新见解）： * 射流能量： 计算表明，喷射过程携带的动能和热能总计约47.58 kJ，约占热失控总释放能量的17.7%，突出了泄压过程本身是重要的能量释放途径。 * 流场结构： 模拟揭示了射流的速度和温度场径向分布。由于开尔文-亥姆霍兹不稳定性，射流边界形成剪切层和涡环结构，卷吸周围空气，这是形成倒锥形轮廓的流体力学机理。中心轴线附近速度和温度最高，并随着高度增加而衰减。 * 颗粒扩散与沉积： * 时空演化： 模拟生动展示了颗粒云在密闭空间内的完整历程：初始向上形成羽流，撞击顶棚后向四周扩散，较大颗粒因重力开始沉降，细小颗粒（<10μm）长期悬浮。约300秒后，烟雾充满整个空间上部，凸显了顶部通风的必要性。 * **沉积分布：** 最终，大部分颗粒沉积在地面。大颗粒（>300μm）主要集中在电池附近区域，而细颗粒扩散范围更广。沉积区域轮廓呈椭圆形。 * 通风影响： 模拟了不同通风速率（0至300 L/h）的影响。结果显示，增加通风能显著减少空气中悬浮颗粒的质量峰值，并提高通过排风扇排出的颗粒比例（从0%增至32%），有效降低了沉积物质量。但通风也会使大颗粒沉积区域中心偏离电池位置。
第五， 研究结论与价值 结论： 本研究成功开发并验证了一个首个能全面描述锂离子电池热失控过程中多相（气-液-固）喷射行为的多尺度模型。该模型整合了从内部电化学反应、相变、压力积累到外部气体射流、颗粒运动及沉积的全链条现象。研究定量揭示了电解液蒸汽和固体颗粒是质量损失的主要贡献者，并明确了不同阶段主导释放的组分。模型成功再现了实验观测到的两次倒锥形喷射，并深入揭示了其流体力学机理。此外，研究首次通过模拟系统分析了喷射颗粒在受限空间内的扩散、沉降规律以及通风的清除效果。
价值与意义： * 科学价值： 该模型填补了热失控建模领域对颗粒排放行为预测的空白，提供了一个更完整、更强大的分析工具。它深化了对热失控泄压这一多尺度、多物理场耦合复杂过程的理解，特别是澄清了各组分在过程中的角色和转化路径。 * 应用价值： 该模型可作为电池包热安全设计和火灾风险评估的重要辅助工具。通过预测颗粒的喷射范围、沉积分布以及作为点火源的风险，可以指导电池包的泄压设计、防火隔离、热管理以及通风排烟系统的优化，从而提升电池系统的整体安全性。研究明确指出了顶部通风对于清除有害可吸入颗粒的重要性，具有直接的工程指导意义。
第六， 研究亮点 1. 首创性多尺度建模框架： 首次构建了覆盖电池内部化学反应到外部多相流动的全链条多尺度模型，实现了对热失控颗粒排放过程的系统性模拟预测。 2. 关键子模型创新： 创新性地开发并集成了固体颗粒夹带生成子模型，并基于实验数据标定；构建了气体生成矩阵，量化了反应与气体组分的对应关系。 3. 多方法深度验证： 不仅对温度、速度、质量等关键参数进行定量验证，还通过先进的PLS可视化技术对射流形态进行定性验证，验证体系全面可靠。 4. 揭示新现象与新机理： 量化了颗粒排放的质量占比；明确了电解液在热失控前已基本汽化完毕，合理解释了先前研究的假设；直观展示了颗粒在空间内的复杂扩散沉积动力学及通风的影响。 5. 强工程应用导向： 整个研究紧密围绕电池安全工程的实际需求，成果可直接为电池包的热安全和防火设计提供理论依据与仿真工具。
第七， 其他有价值内容 作者在文中明确指出了本模型的局限性及未来研究方向：首先，当前模型主要基于特定类型（磷酸铁锂、棱柱形）电池的实验数据标定和验证，其普适性有待进一步扩展至不同材料体系（如高镍三元）、不同外形（圆柱、软包）和不同滥用条件下的电池。其次，模型中关于固体颗粒生成（如定量描述破碎机制）和氧化反应等子过程仍存在一定简化，未来需要更深入的基础研究来完善这些机理，从而提升模型的鲁棒性和预测精度。这些坦诚的讨论为后续研究指明了清晰的路径。