DOI Link:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.4c02480
Googlescholar:
https://scholar.google.com/citations?user=kTDNTJcAAAAJ&hl=en&oi=sra
ScienceDirect:
https://www.sciencedirect.com/author/6602306150/judith-a-jeevarajan
UniversityWeb:
https://ul.org/news/dr-judy-jeevarajan-appointed-chair-international-electrotechnical-commission-iec-subcommittee
3. 收录日期
1. 科学问题
锂离子电池在不同规模和环境下的热失控行为及其引发的火灾和爆燃风险，探讨模块设计与气体释放对安全性的影响。
GA
2. 实验与模型方法
1. NMC电池及其结构
NMC电池为25 Ah容量的棱柱形电池（Fig.1a）。
NMC模块由三个电池并联组成（Fig.1b）。
NMC电池由四个串联模块构成（Fig.1c）。
2. LFP电池及其结构
LFP电池为5.5 Ah容量的圆柱形电池（Fig.1g）。
LFP模块由15个电池并联，并置于两块金属板之间（Fig.1h）。
LFP电池由四个串联模块构成（Fig.1i）。
Fig. 1. Photographs of the test samples showing the NMC (a) single cell, (b) module, and (c) battery and the LFP (g) single cell, (h) module, and (i) battery; thermocouple, heater placement, and trigger cell locations in the cell (d, j) module; (e, k) and battery.
3. 研究结果
3.1单电池测试结果
1. 温度曲线
单个LFP电池（Fig.2a）和NMC电池（Fig.2b）在环境空气中进行热失控测试的典型温度曲线。
2. 关键温度数据
Table2 排气、热失控起始点和峰值温度的测量数据。
Fig. 2. Temperature response of (a) LFP and (b) NMC single cells during thermal runaway tests in ambient air.
3.2 热失控测试结果分析
1. NMC电池温度分布 (Fig.3c, Fig.3d)
NMC电池因尺寸较大导致热梯度，通常端子之间区域最热。
测试中，由于加热器温度影响，位于加热器下方的热电偶读取最高温度。
在195°C发生初次排气后，TC3温度下降，因靠近排气孔的热电偶位置发生移动，记录了排气区域的较低温度。
2. LFP模块测试 (Fig.3a, Fig.3b, Fig.3e)
(1) LFP模块测试显示两次测试行为不同：
第一次测试中，触发电池在200°C保持1小时未发生热失控，随后升至250°C后发生热失控（Fig.3a）。
第二次测试直接在250°C条件下进行，触发电池的最高温度为449°C，未发生热失控传播（Fig.3b）。
(2) 第一次测试中，触发电池的热失控传播耗时13分钟，最高温度为1093°C（Fig.3e）。
(3) 第二次测试未发生热失控传播，原因包括：
电池之间的间隔减弱了传导和对流热传递。
铜板的散热作用显著，降低了触发电池产生的热量对模块的影响。
3. NMC模块测试 (Fig.3c, Fig.3d, Fig.3f)
(1) NMC模块1中：
触发电池在202°C排气，216°C发生热失控，2秒后点燃。
第二颗电池在21分40秒后热失控，第三颗电池在7秒后接连发生热失控并产生喷射火焰。
TC9记录的最高温度为992°C（Fig.3c）。
(2) NMC模块2中：
触发电池在197°C排气并产生白烟，216°C热失控后释放黑烟并发生侧面破裂，随后点燃泄漏气体。
第二颗电池和第三颗电池相继热失控并释放火花。
TC9记录的最高温度为764°C（Fig.3d）。
(3) NMC模块的设计
如机械夹具提供良好的电池间接触增强了电池间的导热，同时高内部压力导致侧面破裂和可燃气体释放，最终完全传播热失控（Fig.3f）。
4. 电池级测试设计 (Fig.6d)
(1) 电池测试基于单电池和模块级测试结果进行设计。
(2) 为增加LFP模块发生热失控传播的概率：
在模块1中安装6个加热器。
在模块2中增加了两个加热器。
(3) 测试显示高温足以熔化NMC模块中铝集流体（Fig.6d）。
3.3 LFP电池加热测试结果 (Fig.4)
1. 温度变化与热失控传播
根据热电偶数据（Fig.1i），触发电池3在178°C时排气，此时其他电池温度低于88°C。
触发电池3在39分8秒后达到206°C并发生热失控：
电池前半部分温度低于92°C。
电池后半部分温度低于50°C。
TC1加热器在首次热失控后失效，随后通过TC2控制加热速率。
2. 热失控传播特性
热失控传播先在模块1中发生，并逐步扩展至剩余三个模块。
从电池前半部分传播至后半部分耗时1小时35分49秒。
3. 气体释放与环境影响
电池释放白烟，但未产生火花或点燃排放气体：
(1) 因电池未暴露在外部空气环境中。
(2)LFP正极化学成分中氧与磷结合难以分离，相比于其他锂离子电池正极材料中的过渡金 属氧化物，更不易引发气体燃烧。
Fig. 4. Temperature response of the LFP battery during the thermal runaway test in ambient air.
3.4 热失控与气体释放特性
1. LFP与NMC电池热失控测试 (Fig.5 & Fig.6)
(1) 热失控传播与温度特性:
LFP电池由于模块间传热不良及重铜板的散热效果，抑制了热失控快速传播；塑料外壳因烟气释放多处软化并破裂（Fig.6e）。
NMC电池在198°C排气（白烟），212°C热失控（黑烟与火花），引发模块内及外壳侧面破裂（Fig.6f）。触发电池温度最高达1449°C，外框最高测得1601°C。
(2) 火焰与烟气行为:
NMC电池表现出强烈火焰，热释放率与总燃烧热显著。LFP电池在封闭环境中未观察到火焰，仅释放白烟。
2. 不同化学体系的气体特性
(1) 气体成分与火灾风险:
NMC电池: 释放大量CO2、H2与碳氢化合物，火焰强度较高，燃烧气体比例约36%氢气，26.7%二氧化碳，23.8%一氧化碳。
LFP电池: 气体成分中H2含量高达54%，其余为21.6%CO2和6.1%甲烷，但火焰较弱或无火焰。
(2) 爆燃特性与测量结果:
NMC气体的燃烧速度与最低可燃极限值接近文献模型值；LFP气体燃烧速度和最大爆燃压力均高于模型预测，可能由于氢气浓度敏感性。
3. 热失控测试结论
(1)单体与系统级表现差异:
LFP与NMC的单体热失控行为与模块、系统级测试结果存在非线性变化。
LFP电池: 随配置变化显现显著差异；封闭结构抑制了火焰产生。
NMC电池: 热失控传播表现较一致，受模块设计与热管理影响较小。
(2)气体爆燃的设计启示:
需要对封闭环境下气体浓度进行有效控制，避免超过气体最低可燃极限（LFL）。
针对热失控引发的气体爆燃风险，应优化电池系统的通风与释压设计。
4. 安全设计建议
实验结果表明，在不同配置和环境下进行热失控测试是必要的，有助于预测最严重情况。
针对热失控释放的未燃气体，应设计合理的防爆系统，以降低系统级灾难性事故的风险。
Fig. 5. Temperature response of the NMC battery during the thermal runaway test (a–d). Note: Maximum temperatures are noted even in cases where the temperatures are off scale. Thermal runaway propagation process of an NMC battery (e).
Fig. 6. Post-test photos of (a, b) single cells, (c, d) modules, and (e, f) battery for the (a, c, e) LFP and (b, d, f) NMC samples.
4. 重要结论
1. 热失控传播特性
LFP电池因铜连接板的散热性能和模块设计，热失控传播较慢，火焰较少；NMC电池热失控传播迅速，伴随剧烈火焰和高温。
2. 气体释放特性
LFP电池释放大量氢气（占54%），火焰较弱或无火焰；NMC电池释放氢气、CO2和一氧化碳，伴随显著火焰和高燃烧热。
3. 系统级行为非线性
单体热失控行为无法线性外推至模块或电池系统；模块配置和散热设计显著影响热失控传播与风险。
4. 爆燃与火灾风险
NMC和LFP气体均存在高燃烧速度和爆燃压力，需控制封闭环境中气体浓度，避免超过最低可燃极限（LFL）。
5. 安全设计建议
针对热失控风险，需优化电池系统设计，增加通风和释压装置，以减少灾难性事故的可能性。
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