本文档报告了一项针对高密度锂离子电池热失控（Thermal Runaway， TR）多相喷射（multiphase ejection）参数测量的原创性研究方法，属于类型a。以下是详细的学术报告。
一、 研究团队、发表期刊与时间
本研究由来自中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室的Junyuan Li, Bang Tong, Peng Gao, Zhixiang Cheng, Mingwei Cao, Wenxin Mei, Peng Qin, Jinhua Sun, Qingsong Wang 以及合肥国轩高科动力能源有限公司的研究人员共同完成。研究成果以题为”A novel method to determine the multi-phase ejection parameters of high-density battery thermal runaway”的论文形式，发表于《Journal of Power Sources》期刊的第592卷（2024年），该文章已于2023年12月9日在线发布。
二、 学术背景与研究目的
科学领域： 本研究的核心领域是锂离子电池（LIB）安全，特别是高能量密度电池热失控（TR）的灾害动力学行为研究。研究重点聚焦于热失控过程中伴随的多相喷射现象及其参数的定量化表征。
研究背景与动机： 随着电动汽车、人工智能等新兴技术的爆炸式增长，市场对兼具高能量密度和更高安全性的锂离子电池需求日益迫切。然而，高密度电池（如NCM三元电池）的热失控问题仍是全球性的重大安全挑战。热失控过程中，除了气体排放，电池还会喷射出液体和固体物质，形成一种多相喷射现象。这种喷射包含固体点火源和可燃气体物质，混合后有极高的火灾与爆炸风险。为了设计电池包的消防安全策略，特别是热失控排气设计，研究人员通常需要采用计算流体动力学（CFD）建模来深入了解电池包内的流场。然而，为了准确模拟流场，必须为CFD模型设定精确的喷射参数作为边界条件。当前测量喷射参数的方法各有局限：毕托管（Pitot tube）法只适用于低密度电池（如LFP），对NCM等高密度电池伴随射流火焰的情况不适用；光学方法成本高昂，且因喷射物中缺乏示踪物，只能捕捉固体碎片的速度，无法获得连续的流速；罐体实验（Canister experiment）法可推算气体生成率，但由此推导喷射速度需要额外假设（如将罐内压力等同于泄压压力），存在不确定性。因此，对于高密度电池的热失控喷射，尚缺乏一种能够可靠、连续测量多相喷射参数的通用方法。
研究目标： 本研究旨在首次提出并验证一种适用于高密度电池热失控多相喷射参数测量的新方法。该方法基于动量守恒原理，能够同时获取喷射速度、质量损失率、密度、压力、温度等关键参数，并推导经验公式，为未来高密度电池（包括全固态电池）的CFD模拟及电池包防火安全设计提供关键输入。
三、 详细研究方法与流程
本研究的工作流程清晰，主要分为方法论阐述、实验装置开发、参数测量与推导、不确定性分析等几个核心环节。
1. 方法论原理阐述： 本研究提出的新方法的核心物理学基础是动量守恒和质量守恒定律。研究者将电池及其喷射物视为一个系统。当电池以速度v喷射出质量为δm的物质时，会在一个微小的时间间隔δt内产生一个反作用力F。根据动量守恒，有 Fδt = vδm。由此，喷射速度v可以表示为 v = F / (dm/dt)，其中dm/dt是电池的质量损失率（负值）。该方法不依赖于喷射物的具体状态（气态、固态），因此得到的速度是气-固两相的平均值。研究进一步将总力F分解为气相分力Fg和固相分力Fs，将总速度v表示为固相速度vs和气体速度vg的质量加权平均（v = ysvs + ygvg），其中ys和yg分别是固相和气相的质量分数。这种处理首次将固体颗粒信息纳入速度定义，确保了在CFD模拟中固相喷射动量的守恒等效性。同样，基于质量守恒，喷射流密度ρ可通过公式 ρva = dm/dt 计算，其中a是泄压阀的开口面积。结合气体状态方程（如理想气体方程），可以从气体密度和压力推导出气体温度。研究者特别指出，由于电解质在高温下高度挥发，喷射过程中主要以气态形式排出，因此在当前分析中暂未考虑单独的液相。
2. 实验装置开发与对象： * 研究对象： 实验使用52 Ah的NCM712方形电池作为研究对象，其热失控喷射过程涉及多相、高温、扩散火焰和高压，是热失控喷射中最具挑战性的案例之一，因此适合检验新方法的有效性。实验前，电池先放电至耗尽，再充电至100%荷电状态。 * 实验装置： 根据守恒定律原理，研究者搭建了一套专门的实验装置。该装置包括一个基座、传感器、一个喷嘴和一个电池夹具。核心测量部件是一个六维力学传感器，可分解三个自由度方向的力和扭矩，精度0.01 N，采样频率40 Hz。电池、加热器、绝缘层和喷嘴被组装在夹具内，然后整体连接到传感器上。实验前，使用水平校准仪确保传感器Y轴垂直向下测量重力，X轴水平方向测量冲击力。 * 温度测量创新： 为了区分热失控喷射中颗粒温度与气体温度这一长期存在的测量难点，研究者设计了一种巧妙的布置。他们在热电偶支杆的迎风面和背风面分别布置热电偶。由于卡门涡街效应，喷射物中的烟雾颗粒会在支杆后方被湍流驱散。因此，迎风面热电偶会被密集的颗粒附着层包裹，测量的是颗粒附着层温度；而背风面热电偶则较少有颗粒附着，更接近气体温度。这种方法首次实现了颗粒温度与气体温度的有效区分。 * 喷嘴作用： 由于电池内部有两个卷芯，热失控发展不对称，可能导致喷射方向偏离，从而影响重力（质量）的测量。引入喷嘴可以克服这种喷射偏离带来的影响，确保数据采集更精确。虽然喷嘴会降低喷射动量，但研究表明，有/无喷嘴情况下的冲击力变化模式（高斯拟合）本质上是相似的，仅需一个修正因子（本研究中为2）即可从带喷嘴的数据推算出实际的冲击力。
3. 数据处理与参数推导流程： * 基本参数采集： 实验过程中，力学传感器连续记录电池受到的冲击力F，同时高精度天平记录电池质量m随时间的变化。 * 数据平滑处理： 由于喷射过程变化剧烈，原始数据的高频噪声在计算质量损失率（dm/dt，即质量对时间的导数）时会导致显著误差。因此，研究采用1秒的时间间隔，使用一阶差分方程计算每个时间步长内的平均质量损失率。同样，冲击力也采用1秒间隔计算等效平均力。这种方法在减少噪声和保留信息之间取得了平衡。 * 衍生参数计算： 基于平滑后的力F和质量损失率dm/dt数据，结合推导出的理论公式，逐步计算一系列衍生参数。计算顺序和公式如下表所示：
| 参数 | 计算公式 | 关键说明/假设 |
|---|---|---|
| 质量损失率 (m’) | m’ = -dm/dt | 直接由质量数据差分得到 |
| 总体速度 (v) | v = -F / (dm/dt) | 基于动量守恒的核心公式 |
| 总体密度 (ρ) | ρ = m’ / (v * A) | A为泄压阀面积 |
| 总压力 (P) | P = Pa + yg * (v/A) * m’ | Pa为大气压；气相质量分数yg取自文献[26]，值为0.4 |
| 气体温度 (Tg) | 实验测量（背风面热电偶） | 采用创新布置直接测量 |
| 声速 © | c = √(γ * R * Tg / W) | γ（比热容比）取1.4 [33]；W（气体分子量）取24 [34] |
| 马赫数 (Ma) | Ma = v / c | 用于评估流动的可压缩性 |
4. 不确定性分析： 为了评估方法的可靠性，研究者依据ISO/IEC指南进行了不确定性分析。对于直接测量量（力、质量、质量损失率），分别计算了A类（随机误差，基于3个相同规格电池样本的统计）和B类（仪器误差）不确定度。对于间接测量量（如速度、密度、压力），则根据直接测量量的不确定度通过误差传递公式进行计算。分析结果表明，该方法具有可接受的测量不确定度，例如速度的不确定度为±2.67 m/s。
四、 主要研究结果
1. 热失控喷射基本过程与参数： 实验观察到NCM电池的热失控喷射过程可分为两个阶段：动量主导阶段和随后的浮力主导阶段。阀门开启后，先喷出白烟，冲击力较小；约3秒后，喷射物转为黑烟（可能因固相含量增加），冲击力迅速上升至峰值，并伴有大量火花和可燃气体喷射；随后动量下降，烟雾由黑转白，最终转变为浮力主导的羽流。整个喷射过程持续约14秒。 * 质量损失： 电池在整个TR过程中质量损失为276.2克，约占电池总质量的三分之一。 * 冲击力： 峰值冲击力出现在6.237秒，达到3.63 N。 * 经验公式拟合： 研究发现，电池质量损失曲线近似“S”形，符合逻辑函数（Logistics function）；而冲击力曲线呈现典型的单峰对称模式，符合高斯函数（Gauss function）。两种拟合的R²值均超过0.99，表明拟合效果极佳。这些纯经验公式虽然缺乏机理模型，但因其形式简单且能有效捕捉特征，可用于CFD模拟中作为边界条件，大幅降低大规模电池包排气模拟的计算负担。研究者指出，逻辑函数描述有限资源下的增长，这可能反映了热失控内部反应物逐渐耗尽的过程。
2. 衍生参数结果： * 质量损失率与速度： 质量损失率在6.012秒达到峰值0.041 kg/s。总体喷射速度在8.012秒达到峰值210.86 m/s。值得注意的是，速度峰值比质量损失率峰值延迟了约2秒。研究者推测，原因可能是在大量物质（尤其是较重颗粒）喷出后，剩余气体的密度较低，在相同能量下更容易被加速。 * 密度、压力与温度： 喷射流的密度在热失控质量损失最大时刻附近呈现单峰变化，峰值密度为0.81 kg/m³。热失控喷射产生的最大总压力为112.325 kPa。最重要的发现之一是温度差异： 通过迎风面和背风面热电偶的测量，成功区分了颗粒温度和气体温度。结果显示，颗粒温度比气体温度高出约200°C。在流速峰值时刻，气体温度为282.3°C。这一发现纠正了以往研究可能将颗粒温度误判为气体或火焰温度的错误。 * 可压缩性评估： 基于测得的气体温度和速度，计算了声速和马赫数。分析发现，在5至10.2秒的喷射期间，马赫数超过0.3（峰值Ma约0.382），这表明在喷射最剧烈的阶段，热失控射流表现出弱可压缩性的特征。在射流开始和结束阶段，则可忽略可压缩性带来的动能项影响。
五、 研究结论与价值
本研究成功提出并验证了一种基于动量守恒原理、用于测定高密度电池热失控多相喷射参数的综合测量方法。应用于52Ah NCM712电池的主要结论包括： 1. 获得了该电池热失控喷射的关键参数：峰值速度210.86 m/s，总质量损失276.2 g，峰值质量损失率0.041 kg/s，峰值总压力112.325 kPa。 2. 首次通过利用卡门涡街效应的技术，成功区分了颗粒温度与气体温度，并观测到高达200°C的温差。 3. 基于测量数据，推导出了描述电池热失控喷射特征的经验公式（高斯函数和逻辑函数）。这些公式虽然纯经验性，但能有效捕捉喷射趋势，为工程化CFD模拟提供了简化、高效的边界条件输入，有助于降低电池包层级热失控排气模拟的计算成本。
科学价值与应用价值： * 方法论创新价值： 该方法原理普适，不依赖于电池具体的正极材料体系，因此未来可望应用于各种高密度电池，包括半固态或全固态电池的热失控研究。它解决了高温、易燃、多相等极端条件下参数测量的难题。 * 工程应用价值： 获得的精确喷射参数和经验公式，可直接用于电池包的CFD火灾安全模拟和结构设计优化，特别是用于设计更有效的热失控排气和防护系统，从而提升电池包的整体安全性能。 * 基础认知价值： 对颗粒与气体温度的区分、对射流弱可压缩性的认识，深化了对热失控喷射物理过程的理解。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
研究者在讨论部分也指出了本方法未来的改进空间。例如，对于具有非常规结构（如具有两个安全阀的刀片电池）的电池，实验装置可进行修改，例如使用配备止回阀和多孔介质的密封容器来捕获喷射物的动量和质量，以更准确地测量多阀门情况下的喷射流和浮力主导的羽流。这显示了该方法体系具备进一步扩展和适应不同电池设计的前瞻性。