一篇关于电弧故障引发锂离子电池热失控的学术研究报告
本报告旨在介绍中国石油大学（华东）海洋工程与安全技术中心等多个机构的研究团队在《Renewable and Sustainable Energy Reviews》期刊2025年第207卷上发表的原创研究。该研究题为“由电弧故障引发的锂离子电池失效机制与热失控行为”，通讯作者为孔德鹏与阴晓康。
一、 研究的学术背景
本研究聚焦于电化学能源存储系统的安全领域，具体探究电气故障对锂离子电池安全性的影响。随着电动汽车和储能系统的普及，锂离子电池系统的安全事故数量呈上升趋势。大量事故报告表明，电弧故障已成为锂离子电池系统事故的主要诱因之一。电弧可由老化/破损电缆、连接松动、热失控喷射出的颗粒物等多种原因引发，其温度极高（超过6000 K），可能直接烧蚀电池外壳。然而，当前相关研究多集中于电弧的物理特性、成因、检测与预警方法，对于电弧故障直接作用于电池、导致电池失效的机制和演化过程的研究尚不充分，构成了一个亟待填补的研究空白。因此，本研究旨在深入理解电弧故障引发的电池失效机制，并探究其演化过程，以期为电池系统针对电弧故障的安全设计、故障检测与早期预警提供有价值的见解。
二、 研究详细流程
本研究采用全实验方法，系统地设计了多个研究阶段，逻辑链条清晰。
1. 电弧故障模拟实验 * 研究对象与样本量：采用标称容量为40 Ah的方形磷酸铁锂电池，实验前充电至100%荷电状态。研究设置了5种不同的实验工况。 * 实验方法：设计了一套电弧发生装置，模拟电池系统内电池之间或电极端子之间可能发生的电弧故障。装置核心部件包括直流稳压电源、用于调节电流的高功率电阻、作为电弧一极的钨针、以及控制钨针垂直移动的滑轨。实验时，将电弧靶点定位于电池安全阀，因为安全阀相比电池外壳更薄，更容易被烧蚀。数据采集包括电弧电压、电流、电池表面温度（靠近电池盖和中心位置）以及实验视频。 * 实验工况：设置了5个不同的电压和电流组合，以模拟不同能量等级的电弧。其中，工况1-4限制了电流上限并维持电弧20秒；工况5无电流上限，但电弧仅持续5秒后自动熄灭。每种工况均重复两次以确保可重复性。
2. 电池性能表征（原位与非原位分析） 在电弧实验后，对所有电池进行了为期14天的日历老化测试，期间持续监测电池质量损失。随后，对电池进行全面的电化学与材料分析，以诊断其失效模式： * 容量与内阻测试：测量电池的容量保持率，并执行混合脉冲功率特性测试，以获得电池在不同荷电状态下的直流内阻。 * 差分电压分析：通过1/25C倍率的小电流充电，获得差分电压曲线。这是一种重要的电池健康状态诊断技术，用于量化电池的活性材料损失和可循环锂损失这两种主要退化模式。 * 非原位材料分析：对日历老化后的电池（重点选取对照组和受损最严重的工况5电池）在手套箱中拆解。直接观察负极片状态，并使用X射线光电子能谱对新鲜和失效电池的负极表面成分进行分析，以探究内部发生的副反应。
3. 热失控特性对比实验 为了评估电弧损伤对电池安全风险的最终影响，对经过电弧处理的电池（不同损伤程度）和未受损的电池（工况1，作为对照）进行了热失控实验。 * 实验方法：使用900 W加热板加热电池，并采用夹具固定。考虑到安全阀已被电弧破坏，电池可能在泄压前就释放出可燃气体，研究使用电弧点火器每隔5秒尝试引燃，以确定最早的起火时间。 * 数据采集：记录整个热失控过程中的关键事件（如加热开始、点火、喷射火、火焰熄灭）、电池温度，并在火焰轴线的垂直方向部署热流计，测量火焰释放的热量。
三、 主要研究结果
1. 电弧特性与对安全阀的损伤 * 损伤机制：高功率电弧及其伴生火焰能迅速熔化电池安全阀。电弧对安全阀的损伤程度主要取决于电弧功率，而非电弧总能量。只要电弧功率足够高，即使持续时间很短（如5秒），也能造成严重烧蚀。 * 损伤阈值：研究确定了导致安全阀破裂的电弧功率边界在110 W至441 W之间。安全阀的破裂面积与电弧功率呈相同趋势。 * 热危害：电弧在电池表面产生强烈的局部热点。电池盖附近的温升速率最高可超过15°C/s，而电池中心温度几乎不变。这种局部过热足以引发固态电解质界面分解，构成热失控风险。
2. 电池电化学性能退化 * 电解液泄漏：安全阀破裂导致电解液持续蒸发泄漏，电池质量损失随破裂面积增大而增加，并可用幂函数良好拟合。 * 容量与内阻：电池容量保持率随质量损失和破裂面积增大而显著下降。工况5电池在14天后的容量保持率仅为0.884，接近中国动力电池的退役标准。直流内阻总体上升，尤其在低荷电状态下更为明显。 * 退化模式：差分电压分析表明，受损电池的主导退化模式是活性材料损失，尤其在靠近泄漏点的区域更为严重。X射线光电子能谱分析证实，电池密封破坏后，空气中的水分进入电池内部，导致电解质发生水解生成HF（氢氟酸）。HF攻击固态电解质界面膜，引发溶剂分子与石墨的共嵌入反应，导致石墨剥离（活性材料损失），同时生成导电性差的LiF和Li₂CO₃，这是内阻增大的原因之一。这些副反应也消耗了可逆锂，导致可循环锂损失。
3. 受损电池的热失控行为差异 * 起火特性：与正常电池（在安全阀开启时点火）相比，安全阀已破损的电池在热失控过程中没有阀门开启的动作和声音。其可燃气体提前释放，点火时间比正常电池早了约400秒，且点火温度极低（可低至51.4°C，而正常电池为111.3°C）。 * 火灾危险性：受损电池的火焰持续时间是正常电池的两倍以上。火焰释放的总热量也更大，工况5电池释放的热量约为正常电池的1.5倍。这表明，安全阀破损的电池具有更高的火灾危险性，且危险程度随破裂面积增大而增加。 * 峰值温度与温升速率：由于活性材料损失和可循环锂损失，受损电池热失控的峰值温度和最大温升速率普遍低于正常电池。但结合更早的点火和更长的燃烧时间，其整体火灾风险显著增加。
四、 研究结论与价值
本研究系统揭示了由电弧故障引发的锂离子电池失效演化路径，可概括为四个阶段：电弧故障发生 → 密封失效与泄漏 → 电池内部副反应 → 电池失效与热失控。
科学价值：该研究填补了电弧故障直接导致锂离子电池失效机制研究领域的空白，详细阐明了从物理损伤到电化学退化，最终引发更高火灾风险的整个链条。研究明确了电弧功率是造成密封破坏的关键参数，并量化了活性材料损失作为主导退化模式，深化了对“非标准”故障模式下电池退化机理的理解。
应用价值： 1. 安全设计：为电池系统的安全防护设计提供了关键参数。例如，提示应关注低至110-441 W的电弧功率即可破坏安全阀的风险，并强调保持密封完整性的极端重要性。 2. 故障检测与预警：研究发现的现象可作为故障检测的特征信号，例如：电池表面局部异常高温（热点）、电池质量的非预期下降、内阻的异常增加（尤其在低SOC时）、以及热失控前安全阀不开启等。这些特征可用于开发针对电弧损伤的早期预警算法。 3. 风险评估：明确了安全阀破损的电池在热失控时具有起火更早、燃烧更久、放热更多的特点，提示在储能系统或电动汽车的火灾风险评估和消防策略中，需要特别考虑此类“带病”电池的更高风险。
五、 研究亮点
六、 其他有价值内容
研究团队进行了误差分析，通过重复实验验证了关键参数（如电弧电流、电压、破裂面积、质量损失）的标准偏差，证实了实验具有良好的可重复性。同时，作者也指出了本研究的局限性：受实验条件限制，所使用的电弧功率尚无法模拟实际储能系统中因汇流排故障等可能产生的更高功率（千伏、千安级别）电弧。在这种情况下，电弧形成的局部热点是否可能直接触发热失控，其特性如何，仍有待未来研究。这一坦诚的说明为后续研究指明了方向。