抑制“余烬”-“复燃”行为：从产气角度解析商用锂离子电池多维动态热失控演化机制和抑制方法

第一作者：陈思琦

通讯作者：戴海峰

单位：同济大学

随着电动交通工具、储能电站及消费电子产品的快速发展及应用，锂离子电池在安全性方面逐渐显现不足，事故频发。其中，锂离子电池在热失控及其系统蔓延过程中，常出现延期喷发、燃烧及爆燃的问题，带来了显著安全隐患。为了解决这些问题，研究者们提出了通过材料改性、主动安全预警、被动安全隔热等防护手段，从“燃烧三要素”的角度抑制热失控及其蔓延行为，从而提升锂离子电池的安全性。

近日，同济大学魏学哲教授、戴海峰教授团队，系统研究探讨了热失控多维动态演化机制和“余烬”-“复燃”演化原理。定性定量揭示了不同绝热热失控阶段的动态产气机理和环境压力演化机制，并提出针对性诊断、抑制方法。此项研究为热失控机制研究提供了新的见解，并为高安全电池系统设计提供了指导，研究成果发表于国际顶级期刊《Energy Storage Materials》。

本文系统研究探讨了热失控多维动态演化机制。研究表明：主要产气成分及其含量在热失控触发后保持稳定，CO₂、CO、H₂和C₂H₄被证明是热失控触发初始阶段主要产气成分，揭示了产气成分和气压信号的演化机制，用于指导早期预警和安全管理。此外，本文定量解析了主要产气反应在热失控不同阶段的释热致灾性的动态权重，CO₂和CO的产生占气体产生反应中释热量的主要部分。此外，触发的电池样品在热失控触发后不断产生气体，电池达到最高温度后，每个反应的权重都会增加。

本文从可燃气体、氧气的角度对热失控危害和“复燃”现象进行了评估，提出了火焰诊断方法和“余烬”判断标准（火焰高度<电池高度）。剧烈燃烧过程中氧气的消耗会导致火焰的短暂熄灭，无喷射火产生。进一步，本文基于电感耦合等离子体光谱仪分析发现：浸入极片中的大量电解液在稳定的喷发和喷射火后为“余烬”现象提供燃料，对邻近的未触发电池构成威胁。

此外，经计算烟气加剧系统层级热失控蔓延行为。本文旨在从气体角度抑制热失控灾害，提出了一种针对热失控及其蔓延危害的抽气缓解方法，从端面压力-内部气压-质量损失-温度等多维信号监测的角度验证了热失控剧烈程度的有效降低。实验结果证明：0.098 MPa负压对于基于抽气的热失控抑制方法更有效，在抽气后可以检测到电池残骸卷芯中明显的“气道”痕迹。在相同的环境温度和侧向加热功率下，热失控触发时间可以延长50秒以上。此外，随着可燃气体、氧气的抽离，热失控最高温度显著降低（单体层级：>100℃；模组层级：50.7℃）。

Mitigating “Remaining fire”-“Re-burn”: Multi-dimensional dynamic thermal runaway evolution mechanism and suppression for commercial lithium-ion batteries from gas perspective

魏学哲，现为同济大学汽车学院教授、博士生导师。近年来作为主要研究人员参与国家电动汽车专项课题的研究，作为项目负责人主持国家科技支撑计划项目1项，国家自然科学基金项目3项（含重点项目1项），作为课题副组长及主要研究人员参加国家“863”课题十余项。目前的主要研究方向为汽车电子及新能源汽车储能电源系统。以第一或通讯作者在Nature Communications等学术期刊上发表论文100余篇。

戴海峰，现为同济大学教授、博士生导师，新能源汽车及动力系统国家工程研究中心副主任，上海市优秀学术带头人及上海市“东方学者”特聘教授，IEEE高级会员，SAE NEV技术委员会委员，中国汽标委电动车辆分标委委员，Renewable and Sustainable Energy Review等期刊编委。长期从事新能源汽车动力电池、燃料电池相关研究，在该领域先后主持国家自然科学基金重点、面上及青年项目，国家重点研发计划课题及子课题，以及各类省部级与校企委托项目。以第一/通讯作者在Nature Communications等期刊发表SCI论文100余篇，17篇入选ESI高被引论文，3篇入选热点论文，出版中/英文专著5部，连续入选Elsevier中国高被引学者。累计授权国家发明专利50余项，申请PCT专利1项，转让4项专利。主持或参编各类标准6项，以第一完成人获上海市科技进步一等奖1项，行业科技一等奖4项。

陈思琦，2024年3月获同济大学博士学位，进入同济大学机械流动站从事博士后工作。主要研究电池失效机制、建模及安全管控。主持国家资助博士后研究人员计划项目、上海市“超级博后”激励计划项目。以一作/通讯在Innovation (Cell Partner Journal)、Energy Storage Materials、Renewable and Sustainable Energy Reviews、IEEE Transactions on Transportation Electrification等综合/能源工程领域TOP期刊发表SCI论文21篇，被引>2800次，h指数32；授权发明专利8项；出版专著1本、译著1本。担任Materials、Electronics客座编辑及多个SCI期刊审稿人。获“中国汽车工程学会博士学位论文激励计划”、同济大学“学术先锋”、ABSC青年学者奖等荣誉，入选2024年度斯坦福全球前2%顶尖科学家榜单。