欧阳明高院士团队：电弧诱导锂电池内短路进而触发热失控

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由于电池老化膨胀和连接器松动等问题引发的串联电弧故障，已成为电池储能系统（BESS）中的一个严重电气安全隐患。然而，目前对于电弧与电池之间的电热耦合规律和灾害机制的研究仍处于起步阶段。

本研究以一款20Ah的方壳LFP电池作为研究对象。首先，改进了电弧故障发生器，搭建了电弧测试系统；随后，选择电池负极柱作为电弧发生的位置，采用300V+15A测试工况开展实验。紧接着，通过数据分析、CT扫描和卷芯拆解等方法，归纳了串联电弧的电热耦合特性，并阐明了电弧诱发的两种电池失效路径：其一，从极柱到卷芯的持续热传递融化了卷芯的隔膜，造成内短路故障和正极极耳断裂故障；其二，电弧高温造成绝缘破损、外壳穿孔、电解液泄漏和火焰喷射等现象。而对于不同的电池SOC，电弧会引发不同的热失效行为。最后，通过与外部加热触发热失控的方法比较，本研究揭示了串联电弧是一种新型的诱发电池热失控的风险因素。

本研究填补了电池系统中电弧演变的电热耦合特性的研究空白，掌握了电弧诱发电池热失效的路径，这对于开发不存在电弧危险的安全电池系统至关重要，为后续电池系统的电弧检测和防护提供了坚实的基础。

该研究成果在能源领域权威期刊Energy（中科院一区Top）上发表。

BESS的电气安全问题愈发严重，解决电气安全问题迫在眉睫。电弧故障兼备电-热耦合特性，是一种常见的电气故障。电池系统是直流系统，对应的电弧故障为直流电弧故障。直流电弧故障主要包括串联电弧故障、并联电弧故障和对地电弧故障。

在BESS中，由于电池老化膨胀，机械应力和绝缘损坏等问题所导致的串联电弧故障值得深入研究。串联电弧的形成为电池系统引入了非线性的电阻，使得系统电流有所减小，这导致传统的过电流保护装置无法激活。然而，随着BESS容量的扩大和系统电压（1500V）水平的不断提高，需要串联和并联更多的电池单体和模组，这明显增加了电弧产生和致灾的可能性。

然而，前期针对电池系统中电弧的研究主要集中在理论检测方面，往往忽视了最为致命的电弧演变和灾害问题。这主要体现在：持续的串联电弧伴随着高能量作用，对电池的寿命和BESS的安全稳定运行构成威胁，严重情况下会导致电池的热失控。同样，现存研究中缺乏电弧诱发电池热失控规律的普适性研究，这对电池系统的安全性来说是不幸的。因此，本文着重研究电池系统的串联电弧的电热耦合特性以及电弧诱发电池热失控的路径问题。

实验平台由主电路和测量设备组成，如图1（a）所示。其中，主电路主要由可调直流电压（0-1500 V），负载电阻，电弧故障发生器（AFG）和电池串联而成；测量设备主要为热电偶，电流传感器，电压传感器，高速数采以及摄像头。本文选择一款20Ah方壳LFP电池作为实验对象。电池SOC分别为0%、30%、60%和100%。电源电压Udc=300V，负载电阻R=20Ω。基于电弧故障发生器，采用分断电弧（拉弧）的方法，在电池的负极柱模拟电弧。电池表面预设有六个温度点，位于负极端子附近，如图1（b1）所示。电气连接和传感设备的实验布置，如图1（b2）所示。T6的温升速率被定义为VT6；将T6温升从逐渐升高与急剧升高的临界温度定义为TTR。TTR的温升速率的阈值设置为1°C/s（即VT6=1°C/s）。

图6为实验接受后，不同SOC电池残骸的质量损失和膨胀尺寸。随着电池SOC的增加，电池残骸的质量损失和膨胀尺寸同样增大。这一结果表明，在较高SOC电池的电弧实验中，其热失控所喷发的产物量更大，电池损害也更严重。

图 7为利用工业CT扫描的0%SOC电池残骸的3D视图结果，其中选择了xz视图和yz视图来观测电池的内部结构，如图7（a）所示。从图7（b）可以看出，样品电池由五个小卷芯组成，从左到右定义为Roll 1，Roll 2—Roll 5。电池残骸在xz方向（厚度方向）有所膨胀。与此同时，在正极柱侧，分别属于Roll 1、Roll 2和Roll 3的三个正极耳被熔断。如图7（c）所示，电弧高温造成了Roll 1、Roll 2和Roll 3的隔膜破损。就隔膜破损程度而言，Roll 1>Roll 2>Roll 3。

图8展示了0% SOC电池的拆解过程。在图8（a）中，电弧持续高温融化了整个卷芯外侧的绝缘塑料。离电弧区域越近，绝缘材料的熔化越为明显。每个小卷芯分别包含两个负极耳和两个正极耳，分布在小卷芯的内侧和外侧。其中，Roll 1、Roll 2和Roll 3的外侧正极耳与卷芯断开连接，这些极耳的断裂面都显示出过电流的痕迹。

进一步拆解发现，Roll 1、Roll 2和Roll 3的隔膜在电弧高温的作用破损严重，这导致Roll 1、Roll 2和Roll 3均发生内短路（ISC）故障，而且Roll 1 & Roll 2，Roll 2 & Roll 3之间也发生短路故障，如图8（b）所示。在内短路的作用下，图3所示的电池电压出现跌落现象；随后，电池正负极之间形成短路大电流，造成图4所示的局部温度陡升现象，熔断了卷芯的正极耳，形成电池电压回升的现象。图8（c）所示的各个卷芯的端电压均为0 V。Roll 1、Roll 2和Roll 3是正负极短路所致，而 Roll 4 和 Roll 5 并未出现短路故障，这表明Roll 4 和 Roll 5通过其他故障卷芯持续放电，直到放电完全。图8（d）展示了各个小卷芯的拆解结果，可以看到卷芯的正极材料、负极材料和隔膜破损情况。其中，越靠近电弧区域的卷芯损坏更为严重。

图9展示了串联电弧引起的锂离子电池失效的路径。电池失效路径包含内部和外部两部分。其中，内部的失效过程为：电弧通过负极柱向卷芯进行持续的热传导，造成卷芯隔膜破损；随后，卷芯发生ISC故障（电弧直接作用），导致电池电压下降；而短路大电流导致电池局部瞬时高温和正极极耳断裂（电弧间接作用），从而导致电池电压反弹现象。此外，电池外部失效路径：电弧高温造成端盖的绝缘失效，形成内外连通的孔洞；进一步，局部高温造成高SOC电池的电解液蒸发，并从孔洞不断泄露。此时，若电解液被电弧点燃，就会呈现火焰喷射的现象。这与传统LFP电池热失控的喷发特性（白色烟雾，无明火）相比，表现出不同的外部失效行为。

图10展示了0% SOC电池实验中电弧演变和致灾的物理过程。图10（a）表示电弧演变阶段。一方面，电弧电流通过电路持续为电池充电；另一方面，电弧高温通过负极柱将热量传导到电池内部。由于电池由五个并联的小卷芯组成，因此在电弧演化阶段，每个小卷芯的充电电流为0.2 Idc。每个卷芯的内阻为Rb=5×r =10mΩ（r=2mΩ）。在图3所示的具有0%SOC的电池的实验中，总电弧时间为205.3秒，在短时间和低充电率（<0.75 C）下，电池的开路电压E不会显著增加。N表示电池内胶体的正常数量，在电弧演化阶段，卷芯保持完整， N=5。

图10（b）所示的电池的ISC阶段。这里，RId表示Roll 1中的ISC等效电阻，IId表示Roll 1中的ISC电流。因此，根据电路原理，可以推导出下式：

根据上式，可以得到0% SOC电池中失效卷芯的电气故障过程，如图11所示。如图11（a）所示，当Roll 1发生ISC时，等效电阻RId约为22mΩ，而最大ISC电流IId可以达到124A。如图11（b-c）所示，Roll 2和Roll 3中的最大短路电流分别达到114A和83A。这些短路大电流最终熔断Roll 1，Roll 2和Roll 3的外侧正极耳，如图10（c）所示。而外侧的正极耳断开后，等效内阻RId增加到270mΩ以上，短路电流无法熔断内侧的正极耳。

而图11（d）展示了不同SOC电池在ISC过程中最大的电流以及所持续的时间。对于相同SOC的电池，较早经历ISC的卷芯表现出更高的短路电流；再者，随着故障卷芯的依次发生（Roll 1> Roll 2> Roll 3> Roll 4> Roll 5），ISC电流的减小也遵循此顺序。这是由于电池持续放电导致容量下降造成的。而且ISC电流的减小，导致ISC持续时间的增加，因此熔断极耳所需更长的时间。此外，对于不同SOC的电池中相同编号的故障卷芯（0%SOC_Roll 1、30%SOC_Roll 1、60%SOC_Rroll 1、100%SOC_Roll 1），总体趋势是SOC越高，故障发生时的最大ISC电流越高。这导致ISC的持续时间更短，极耳熔断时间也更短。

电弧和外部加热这两种方法在作用过程和危害表现方面都有明显差异。

（1） 行动过程

通常，在外部加热方法诱发热失效过程中，加热板确定，加热面积和加热功率保持恒定。然而，电弧的加热功率和加热面积会动态变化，并受到电弧电流的极大影响。此外，电弧的发生允许电池继续充电，这是外部加热方法中不存在的特征。

（2） 危害表现

电弧会点燃了泄漏的可燃气体和电解液，引发了强烈的燃烧，进一步加剧了LiFePO4电池的危险。相比之下，外部加热方法很少导致LiFePO4电池发生明火现象。

电池系统电弧故障的研究为电弧检测技术的发展奠定了基础。目前，检测方法主要分为基于电弧物理过程的直接观察方法、基于电弧电信号的间接观察方法和基于人工智能（AI）的数据分析方法。检测技术需要排除系统启动，负载切换，噪声信号等问题干扰，满足电弧产生、演化和熄灭三个阶段的不同需求。图12展示了电池系统电弧不同阶段检测方法的可行性。其中，人工智能在整个电弧时序过程中均能作为有效的准确的检测方法。在电弧数据量足够的情况下，基于多数据融合与人工智能相结合的方法是目前电弧检测的一个趋势。这种方法在应对瞬态电弧过程、改变电池系统的运行条件和复杂的外部环境等挑战方面具有明显的优势。

本文旨在研究电池系统串联电弧演变过程和致灾路径。首先，搭建了适用于电池系统的电弧实验平台，开展不同电池SOC的电弧测试；随后，通过数据分析、CT扫描和卷芯拆解等方法，掌握了串联电弧的演变过程，揭示了电弧诱发电池失效的路径：

（1）内部路径

电弧的高温通过极柱往电池内部传递，造成卷芯隔膜破损；随着隔膜进一步损害以及卷芯的热膨胀，卷芯发生内短路故障，导致电池温度的陡升以及电压下降；最终，内短路诱发的短路大电流熔断了卷芯的正极耳。

（2）外部路径

电弧熔化了电池上盖的绝缘材料，形成内外连通的孔洞；在高温和卷芯内部化学反应的作用下，较高SOC电池通过孔洞泄露大量的电解液蒸汽和可燃气体；若电弧并未熄灭，电解液和可燃气体被电弧点燃，呈现出火焰喷射的现象。

进一步，通过比较外部加热与电弧诱发热失控之间的差异，我们揭示了电弧是一个新型的诱发电池热失控的风险因素。并且讨论了电弧不同阶段的检测方法的可行性。

本研究增强了我们对电池系统中电弧演变和致灾的了解，填补了电弧的电热耦合特性研究空白，揭示了电弧诱发电池失效的路径。这对于开发不存在电弧危险的安全电池系统至关重要，为后续电池系统的电弧检测和防护提供了坚实的基础。

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