本研究发表于eTransportation期刊第27卷（2026年），作者为许文强（清华大学车辆与运载学院/阜阳师范大学物理与电子工程学院）、李亚伦（北京航空航天大学交通科学与工程学院，通讯作者）、王贺武（清华大学车辆与运载学院）、卢兰光（清华大学车辆与运载学院，通讯作者）和欧阳明高（清华大学车辆与运载学院）。这是一项针对电池储能系统（Battery Energy Storage Systems, BESS）中由液态电解质引发二次电弧（secondary arc）生成机制的原创性实验研究。
研究背景 锂离子电池（Lithium-ion Batteries, LIBs）凭借其高能量密度、长循环寿命等特点，已成为BESS和电动汽车（Electric Vehicles, EVs）的主流储能技术。然而，由热失控（Thermal Runaway, TR）引发的电池火灾事故频发，成为制约其可持续发展的关键瓶颈。其中，随着BESS运行电压的不断提高，电弧故障作为一种电气安全问题日益凸显。电弧温度极高，已成为导致电池失效和热失控的新风险因素。实际案例表明，热管理系统冷却液泄漏可诱发电弧，进而引发电池热失控和火灾。热失控过程本身也常伴随明显的火花或电弧放电现象。研究将热失控前由外部因素（如电气/机械故障）引发的电弧称为一次电弧（primary arc），而将热失控过程中，由高温喷射物（如固体颗粒和液态电解质）填充电极间隙、破坏绝缘而引发的电弧称为二次电弧（secondary arc），这属于电池系统的次生灾害问题。对于以喷射固体颗粒为主的三元锂电池（NCM），其颗粒诱发二次电弧的机制已有研究。然而，磷酸铁锂电池（Lithium-ion Phosphate, LFP）在热失控时主要喷射液态电解质和气态产物，固体颗粒极少。现有针对固体颗粒的电弧机制无法直接解释LFP电池系统的二次电弧问题。鉴于电解质泄漏或喷发可能显著降低电极间的临界击穿电压（Critical Breakdown Voltage, CBV），从而在系统额定电压以下诱发电弧，构成了严重的安全隐患。因此，明确电解质是否及如何诱发二次电弧，并揭示其机理，对于提升BESS电气安全、预防火灾事故具有紧迫的研究需求和重要的科学意义。
研究目标 本研究旨在系统性地探究BESS中由电解质喷发和泄漏引发的二次电弧诱导现象，重点关注电解质诱发电弧的动态生成过程、特征行为、边界条件和内在机制。具体目标包括：设计并构建能够模拟液态电解质诱发电弧的实验装置与测试平台；利用高速摄像技术精确捕捉电弧动态生成过程，揭示其机理；通过控制变量实验研究电弧产生的临界条件，定量分析电路参数与电解质物理化学性质对二次电弧生成特性的耦合影响。
详细工作流程与数据分析 本研究工作流程可分为实验平台搭建、测试方法确立、多变量实验设计与执行、以及结果分析与机理阐述四个主要部分。
1. 二次电弧测试平台设计与搭建 为研究电解质泄漏与喷发能否诱发二次电弧并阐明其电气危害机制，本研究专门设计并搭建了一个用于研究二次电弧的实验平台。平台主电路主要由可调直流电源、电弧发生装置、负载电阻和高精度数据采集系统构成。直流电源（IT6018D-1500-40）用于模拟BESS的不同输出电压，范围0-1500 V。负载电阻可调（0-30 Ω），用于限制电路电流，保护设备并确保测试准确性。
针对以往固体颗粒诱导电弧装置无法有效储存液态电解质的局限性，本研究创新设计了一种新型电弧发生装置。该装置由一个绝缘平台和两个铝制电极板（80 mm × 40 mm × 1 mm）组成。绝缘平台由云母制成，具备优异的介电性能和耐高温性。电极板一端浸入电解质中以模拟电解质的影响。在云母板中央部分开有斜面，并在斜面底部加工出宽度为1-4 mm的凹槽。此设计既允许电极板浸入电解质，又能通过调整凹槽宽度精确控制电极间距，从而研究不同间距对电弧生成和演化的影响。
数据采集系统包括电流传感器（CHB50-NP，量程0-50 A）、K型热电偶、高频数据采集仪（DPO4010B-L MR6000，采样率1 kHz）和高速相机（Fastcam Nova S20）。该系统能够连续记录电路电流、极间电压、电极温度（距离阳极1 mm处），并计算电弧电阻。高速相机用于完整捕捉电弧的生成和演化过程。此外，使用高精度电导率仪测量所制备电解质的电导率，所有电解质均在手套箱中按标准程序配制，确保数据可重复性。
2. 电弧测试方法 为避免传统阶梯升压法中因电解质长时间通电导致消耗、体积变化进而影响临界击穿电压准确测量的弊端，本研究采用了一种优化的CBV测试方法。每次测试前，仅施加单一目标电压。若未产生电弧，则在下一轮测试中将目标电压提高10 V，直至观察到电弧产生。此逐步递增法能更精确地确定CBV。初始电压设定为100 V。为确保数据可靠性，每种条件重复测试三次，记录三次产生电弧的电压值V1、V2、V3，CBV定义为三者的平均值，精度为±5 V。本研究中的CBV指外部施加的电源电压，而非稳定燃弧期间的极间电压。火花或电晕放电不被视为电弧事件。
3. 多因素实验设计与执行 本研究聚焦于电解质诱发电弧的生成机制及影响因素，旨在建立CBV与电极间距、负载电阻及常见电解质组分之间的定量关系。采用控制变量法，设计了涵盖空白对照、不同负载电阻（10, 20, 30 Ω）、不同电极间距（1, 2, 3, 4 mm）以及不同电解质组分（共14种案例）的实验矩阵。基础电解质为商用的1 mol/L LiPF6溶解于EC: DMC: EMC = 1:1:1体积比的溶液。此外，还测试了单一溶剂（EC, DMC, EMC）、固态LiPF6、以及由LiPF6与不同单一溶剂（EC, DMC, EMC）或混合溶剂（EC: EMC = 3:7 vol%）配制的定制电解质。每次测试前，使用精密滴管向电极间隙加入0.5 ml电解质，确保条件一致。每个案例重复三次，每次试验后更换新的电极片。
4. 数据处理与分析流程 数据分析主要基于采集到的电压、电流、温度时序数据，以及高速影像。关键参数包括：峰值电流（Ip，电弧生成前的最大电路电流）、孕育期持续时间（Tp，从通电到电弧生成的时间）、临界击穿电压（CBV）、电弧电压（Uarc）、电弧电流（Iarc）、电弧电阻（R）和电弧功率（Parc）。通过计算不同条件下的平均CBV，并与电极间距、负载电阻进行拟合，建立定量关系。通过分析不同电解质配方的电导率、溶剂介电常数（ε）和粘度（η），探究影响CBV的关键电解质物性参数。结合电流变化趋势（持续电流 vs. 突变电流）和高速影像记录的动态过程（如“接触-非接触”现象），与经典的电弧形成理论（击穿电弧 vs. 断裂电弧）进行比对，从而阐明电解质诱发电弧的机制。
主要研究结果 1. 电解质诱发二次电弧的案例验证与基本现象 空白实验（无电解质，电极间距1 mm）中，即使电压升至1000 V也未观察到放电或电弧，验证了在此尺度下空气本身具有很高的击穿电压（理论计算约4350 V），远高于BESS正常操作电压。
在加入0.5 ml商用电解质（案例1，电极间距1 mm，负载电阻20 Ω）后，随着施加电压（Udc）升高，观察到一系列动态现象：100 V时，电解质表面产生气泡和蒸发，伴随白色烟雾（电解质蒸汽）；200 V时，电解液运动更剧烈，蒸发加剧，并出现零星火花；250 V时，蒸汽量显著增加，电极间出现强烈火花。
当Udc达到300 V时，在通电初期即观察到剧烈火花和大量电解质蒸汽。在通电约2.079秒后，电极间生成了稳定的电弧，即电解质诱发电弧。电弧迅速点燃聚集的电解质蒸汽，形成电弧-火焰共存现象。随着电解质燃烧耗尽，火焰熄灭而电弧持续，呈现蓝白色光并猛烈喷射熔融金属颗粒。电弧熄灭后，电极上可见明显的电弧侵蚀和结构损伤。这表明电解质诱发电弧不仅能触发燃烧反应，还会对BESS中的金属部件造成严重的结构破坏。
对应的电气特性曲线显示，通电后极间电压迅速上升但未达到预设值，电路中出现持续电流（孕育期电流）。在300 V条件下，峰值电流Ip为3.92 A，电弧生成后，极间电压从初始的280-300 V骤降至20-40 V（电弧电压），而电路电流Idc激增至13.8 A（电弧电流）。计算得到该条件下的CBV约为300 V。与相同电极间距下空气的击穿电压相比，液态电解质诱发的CBV显著降低，揭示出采用LFP电池的BESS面临显著的二次电弧风险，且该CBV阈值远低于系统额定电压，对高压BESS的安全设计提出了新挑战。
2. 电解质诱发电弧的关键参数与机理 关键参数：电解质电导率。实验发现，单一溶剂或固态LiPF6单独存在时均无法诱发电弧。只有当锂盐溶解于溶剂中形成电解质，并在足够高的系统电压下才能引发电弧。对不同溶剂体系电解质诱导电弧的CBV进行比较发现：(1) 不同溶剂配制的电解质CBV差异显著；(2) 在单一溶剂体系中，以EC为溶剂的定制电解质CBV明显低于DMC和EMC体系；(3) 多溶剂混合电解质（EC:DMC:EMC=1:1:1及EC:EMC=3:7）比单一溶剂体系更容易引发电弧放电。
进一步分析表明，决定电弧诱导的关键参数是电解质的电导率。电导率主要受溶剂物理性质影响，特别是介电常数（ε）和粘度（η）。高ε利于锂盐解离，产生更多自由离子；低η则利于离子迁移。EC具有高ε（89.78 F·m⁻¹）但高η（1.90 cp），而DMC和EMC具有低ε（~3 F·m⁻¹）和低η（~0.6 cp）。混合溶剂体系（如EC:DMC:EMC）结合了高ε和低η的协同效应，从而获得了更高的电导率（11.4 mS·cm⁻¹），对应的CBV也更低（~300 V）。以EC为溶剂的电解质虽粘度较高，但其高ε起主导作用，使其电导率（8.1 mS·cm⁻¹）仍显著高于DMC（4.1 mS·cm⁻¹）和EMC（2.3 mS·cm⁻¹）体系，因此其CBV（350 V）也更低，更接近混合溶剂体系。这证明了在电弧诱导过程中，溶剂的介电常数对增强电解质导电性能起着比粘度更决定性的作用。
诱导理论与过程：符合断裂电弧机制。电弧形成理论主要有气体介质击穿电弧和断裂电弧两类。击穿电弧的特征是电弧前无电流通路，击穿后电流突增；断裂电弧的特征是电弧前存在连续的电流通路（如导体连接），在连接断开时尝试维持电流连续性而产生电弧。
本研究记录的电解质诱发电弧过程中，电路在电弧孕育期始终存在连续电流，这一特征与击穿电弧理论不符。尽管孕育期电流因电解质内阻较高而小于典型的金属断裂电弧电流，但其持续存在的特性与断裂电弧理论更为契合。因此，可将液态电解质视为一个“高电阻的电连接器”。在电弧孕育期，焦耳加热导致电解质消耗、沸腾、蒸发，并引起电解质在两电极间剧烈波动，导致电解质与电极之间出现类似“接触不良”或“虚接”的现象。在足够高的极间电压下，这些因素共同促成了电解质诱发电弧。
高速摄影影像（每秒40000帧）清晰地验证了这一机制。影像显示，在电弧生成前，液面产生大量气泡，电解质持续剧烈波动。在此剧烈波动中，电解质与电极之间发生了“接触-非接触”行为，这与断裂电弧中常见的接触不良现象相似。该行为扭曲了电极附近的电场强度，导致电弧生成前出现多次电晕放电，并最终在施加的极间电压下过渡为电弧。这些观察证实了电解质诱发电弧的生成机制与断裂电弧理论相符。
完整的动态过程可概括为：电解质注入电极间隙形成“液桥”→通电后离子迁移形成闭路电流→焦耳热导致电解质产生气泡、蒸汽并剧烈波动→离子积累导致电场畸变引发强烈火花→电解质波动导致“虚接”最终触发电弧→电弧引燃电解质蒸汽形成弧焰共存→电解质耗尽后仅存电弧→电弧热效应扩大极间距并形成氧化层直至电弧熄灭。
3. 影响电解质诱发电弧的因素 供电电压（Udc）：更高的Udc不仅导致更大的孕育期峰值电流Ip，也缩短了孕育期持续时间Tp。这表明在更高的电源电压下，液态电解质更容易引发电弧。计算显示，更高的Udc在孕育期和电弧演化阶段都产生了更大的功率和焦耳热，加速了电解质消耗和温度上升，并导致更剧烈的电弧演化过程和更严重的电极侵蚀。
电极间距（l）：CBV与电极间距呈近似线性正相关。通过实验数据拟合得到关系式：CBV = 128.71 l + 174.98 （单位：V， l单位：mm）。当l=1 mm时，CBV约303 V；l=4 mm时，CBV升至约693 V。这表明即使在较大的电极间距下，BESS中电池总正或总负的电极电压也足以满足电解质诱发电弧的边界条件。电解质诱发电弧的平均电场强度（Ec,ele）随l增大而逐渐减小，最终稳定在1.4-2.0 kV/cm范围内。定义风险指标为空气击穿电场强度（Ec,air）与Ec,ele的比值，该比值随l增大而升高（l=1 mm时约14.3，l≥4 mm时接近20），证实了电极间距对电解质诱发电弧风险有显著影响。值得注意的是，电解质诱发电弧的CBV仅为相同间距下空气击穿电压的4.5%–7%，凸显了其作为BESS电气安全中一种严重次生灾害的本质。
负载电阻（Rl）：CBV与负载电阻呈正相关。Rl从20 Ω降至10 Ω，平均CBV降低约8.6%；Rl增至30 Ω，CBV提高约4.6%。然而，与电极间距的影响相比，负载电阻对CBV的影响程度和强度都更弱。这表明在影响电解质诱发电弧生成的各因素中，电极间距是决定CBV的主导因素，负载电阻起次要调节作用。
4. 电解质诱发二次电弧的电-热特性 随着电极间距l的增大，电弧演化阶段的极间电压波动更显著，且波动幅度与l正相关。电弧功率Parc与l呈显著正相关，而电弧电阻R在l=1-3 mm范围内与l呈明显负相关。根据等效电路理论分析，由于电弧电阻R小于负载电阻Rl，虽然R减小会使公式分母增大，但分子极间电压Uc增长更快，导致Parc随l显著增加，这与实验测量曲线吻合。只要Rl大于R，Parc就会随l显著增加。
电极温度演变显示，电弧孕育期的温升主要源于电流流经电解质产生的焦耳热，而电弧演化期的温升则主要源于电弧电流释放的焦耳热。由于电弧演化期电流远大于孕育期，其平均和最大温升速率也显著更高。电极的最大温升速率在电弧孕育期和演化期均随l增大而增加，这表明极间功率是电极温升的关键决定因素。电弧故障产生的数百至数千瓦功率可以产生大量热量，显著增加相邻电池发生热失控和传播的风险，可能进一步升级为严重的级联故障。
5. 颗粒与电解质诱发电弧的比较 与文献中报道的颗粒诱发电弧的CBV相比，在相同实验条件下，电解质诱发电弧的CBV显著更高。这表明电解质比固体颗粒更不易诱发电弧。其根本机制在于固体颗粒中含有铝、铜、镍等金属导体，其导电性优异，大幅降低了电弧生成的能量阈值。而电解质的导电性有限，且其离子传导机制与金属导体的电子传导机制有根本不同，需要更高的电压才能达到击穿条件。
然而，需要结合具体应用场景分析。颗粒主要产生于400-800 V的车用电池系统热失控中，其99 V的击穿电压（l=1 mm）约占系统电压的1/8–1/4。而BESS的直流母线电压高达1500 V，其303 V的CBV约占系统电压的1/5。此外，电池绝缘失效、外壳损坏等故障也会导致电解质泄漏，增加了二次电弧的可能性。因此，在高压场景下，电解质的电弧诱导潜力不容忽视。电池系统设计和安全评估必须同等重视电解质和颗粒的电弧诱导效应，并据此制定针对性的缓解策略。
结论与研究价值 本研究证实了BESS中液态电解质泄漏和喷发能够诱发二次电弧。在Udc=300 V、Rl=20 Ω、l=1 mm的条件下，商用电解质即可诱发电弧。研究揭示了电解质电导率与电弧生成之间的正相关关系：更高的电导率更容易引发电弧。高速影像捕捉到因“接触不良”导致的电解质诱发电弧动态过程，揭示了其形成机制与断裂电弧类似，但具有独特的演化特征。
研究系统性地探究了供电电压、电极间距和负载电阻等参数对电解质诱发电弧CBV的影响，并建立了CBV与电极间距的线性关系：CBV = 128.71 l + 174.98。尤为重要的是，电解质诱发电弧的CBV仅为空气击穿电压的4.5%–7%，这明确指出了电解质诱发电弧是BESS电气安全中一种严重的次生灾害。
科学价值与应用意义：本研究揭示了BESS中液态电解质泄漏和喷发诱导二次电弧的现象，阐明了液态电解质介质中二次电弧的生成机制，深化了对电池热失控与电弧耦合危害的理解。这些发现填补了BESS电弧研究领域的一个关键空白，为提高电弧故障检测精度和开发新型保护策略提供了理论基础。研究成果对于确保BESS的安全运行具有重要的指导意义，为电池系统的安全设计（如绝缘设计、间距设计、材料选择）和主动缓解策略的开发提供了关键的实验依据和量化参考。
研究亮点 1. 研究对象的针对性：首次系统性地聚焦于磷酸铁锂（LFP）电池热失控时主要喷射物——液态电解质——所诱发的二次电弧机制，弥补了该领域的研究空白。 2. 实验装置的创新性：针对液态电解质存储与可控测试的需求，专门设计了一种新型的电弧发生装置，其带斜面凹槽的云母绝缘平台结构巧妙，实现了电极间距的精确控制与电解质的有效容纳，保证了实验的可重复性和一致性。 3. 机理揭示的深入性：不仅通过电参数测试确定了临界条件，更通过高速摄像技术直观捕捉并分析了电弧生成的动态全过程，将观察到的“接触-非接触”现象与经典电弧理论（断裂电弧）成功关联，清晰阐明了电解质诱发电弧的物理机制。 4. 关键参数的明确性：通过系统对比不同溶剂体系的电解质，明确了电解质电导率是影响其电弧诱导能力的关键内在参数，并进一步揭示了溶剂的介电常数和粘度通过影响电导率而起作用的深层关系，特别是介电常数的主导作用。 5. 定量关系的建立：通过控制变量实验，建立了电解质诱发电弧的临界击穿电压（CBV）与电极间距（l）之间的线性定量关系式，以及其与空气击穿电压的对比关系，为风险评估和安全设计提供了具体的量化工具。 6. 多因素耦合分析：系统研究了供电电压、电极间距、负载电阻对电弧特性（如CBV、孕育期、电热特性）的影响，并明确了电极间距是主导因素，负载电阻为次要因素，形成了对影响因素的层次化理解。 7. 实际风险的量化评估：明确指出在典型BESS工作电压（如1500V）下，电解质可在远低于系统电压（如1/5）的情况下诱发电弧，并量化了其击穿电压仅为空气的极小比例（4.5%-7%），以极具冲击力的数据凸显了该隐患的严重性。
这是一项设计严谨、方法创新、分析深入、结论明确且具有重要工程指导价值的实验研究，为理解和预防电池储能系统因电解质引发的次生电气灾害提供了坚实的科学基础。