电池单元内部的某个点位首先发生热失控反应，然后热失控的锋面会在电池内部传播（intra-cell propagation）[1]，同时会迅速释放大量热量并喷出热气和火焰。释放的大部分热量会转移到邻近电池单元，这往往会引发电池模块内部的连续热失控。这种现象被称为电池单元间的热失控传播（inter-cell or cell-to-cell propagation）。如果没有足够的冷却、通风和灭火措施，热失控和火灾会在模块与模块之间进一步传播，甚至会在电动汽车与电动汽车之间以及集装箱与集装箱之间传播。
在较小范围内，如电池内部，由于直接的材料反应和能量释放，热失控的物理速度可能非常快。然而，在较大尺度上，从电池内到电池间，再到模块和系统级，物理距离和结构的复杂性都会增加。因为时间的增长，热失控在整个系统中的总传播速度看起来可能会降低，但导致的火灾危险和经济损失，会随着火灾燃烧的尺度而显著增加。
特别是对于大尺寸单电池而言，电池单体内部热失控传播过程，不能简化为一个无限快的过程。无论采用哪种触发方法，热失控通常都是从电芯内部的一个点开始，然后迅速扩散到整个电芯。起始点会引发放热化学链式反应，导致电芯内出现较大的温度梯度。然后，局部连锁反应将扩展到整个电芯，直到内部活性物质耗尽或被外部冷却淬灭。
我们针对18650电池开展实验[2]，通过改变针刺的深度和速度，分析了针刺深度、针刺速度对电池热失控特征温度、触发时间、intra-cell热失控传播速度的影响。本工作中首先在 10 mm/s 的固定速度下，将针平行于圆柱轴的针刺深度分别设置为 5、10、20、40 和 ≥ 65 mm（穿透），以探索针刺深度的影响随后在针刺深度大于 65 mm（穿透）的固定条件下，针刺速度分别设置为 1、5、10 和 20 mm/s，以探究针刺速度的影响。
针刺电池热失控的小尺度实验设置
研究发现针刺深度越深，内部热失控传播速度越慢。这种减慢表明金属针具有明显的电池内部冷却效果，尽管金属针的冷却并不能阻止热失控。将针刺深度从10 mm增加到 20 mm后，传播速度从接近100 mm/s的峰值，快速下降到 17 mm/s。进一步增加针刺深度后，传播速度才缓慢下降，并最终接近针刺速度（10 mm/s），这表明针刺引起的电池内部结构损坏对电池内部热失控传播有影响。分析数据发现，圆柱电池的热失控内部蔓延可能存在两个特征速度，一个是纵向的蔓延速度接近100 mm/s，另一个是径向（横向）接近10 mm/s。特征速度和电池的化学材料和内部结构相关。
18650圆柱电池热失控内部传播实验结果[2]
如果采用先导点火和火蔓延理论来解释电池间的热失控传播，热失控传播速度由热物理参数（如 α_c, ρ_c 和 c_(p,c)）明确控制。
由于热传导与温差成正比，因此热失控传播速度也通过隐式q ∝ dT/dx 中的温度梯度控制。此外，该模型还提供了一个点火温度（T_ig）或热失控阈值来量化电池材料的影响。也就是说，正负极材料活性越高的电池，其点火温度就越低，热失控传播速度就越快。
目前，相关工作已整理发表在国际热科学期刊《International Journal of Thermal Sciences》[2]，我们将继续深入研究，推进电池热安全的特征机理、测试标准和火灾防护技术。
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张磊：香港理工大学博士生，研究方向为锂离子电池火灾安全。
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黄鑫炎：香港理工大学副教授、博士生导师，研究领域包括基础燃烧科学和火灾安全应用。
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图文 | 张 磊
编辑 | 谢伟康
审核 | 黄鑫炎
