利用复杂价值时空图卷积神经网络和苦鱼优化算法，提升电动汽车锂离子电池健康状况的预测能力

《Process Safety and Environmental Protection》：Enhanced Lithium-Ion Battery Health Prognosis for Electric Vehicles Using Complex-Value Spatio-Temporal Graph Convolutional Neural Networks and Bitterling Fish Optimization Algorithm

锂离子电池穿刺滥用下不同SOC颗粒排放特性研究，采用标准化热失控触发平台和颗粒收集系统，结合激光粒度分析、SEM-EDS和ICP-MS，发现SOC升高导致颗粒中位粒径增大1.5倍，金属浓度翻倍，形态更不规则，主要源于热分解与氧化还原反应。

　　
本研究聚焦于锂离子电池热失控过程中颗粒物排放特性与状态参数的关系，针对动力电池主流的18650圆柱形NCA（镍钴铝）体系电池，首次系统揭示了不同荷电状态（SOC）下穿刺引发的电池热失控过程中颗粒物的生成机制、形态特征及重金属迁移规律。研究团队通过构建标准化实验平台，采用激光粒度分析、扫描电镜-能谱联用技术以及电感耦合等离子体质谱联用技术，实现了对颗粒物多维度特性的量化分析。

在实验设计方面，研究突破性地将穿刺损伤与热失控过程进行耦合控制。通过三组不同SOC（0%、50%、100%）的NCA电池进行标准化穿刺测试，采用封闭式实验舱配合定制化收集装置，确保了颗粒物排放的完整性捕获。特别值得注意的是，研究创新性地引入不锈钢覆盖层对比实验，通过温度场监测数据验证了包装材料对失控过程的热传导影响，为电池防护设计提供了重要参考。

研究揭示的关键发现包括：荷电状态与颗粒物特性的非线性关联。当SOC从0%提升至100%时，颗粒物的中位粒径从32.5μm增至89.7μm，增幅达176%，且呈现多级尺寸分布特征。这种尺寸演变与电极材料的热分解动力学密切相关，高SOC下残留电解液更多，导致电极材料在穿刺瞬间发生剧烈氧化还原反应，形成尺寸更大的金属颗粒。形态学分析显示，50%SOC样本中颗粒表面呈现典型多孔蜂窝结构（孔径50-200μm），而100%SOC样本则出现大量板状晶体（尺寸300-500μm），这种结构差异直接导致颗粒燃烧热释放率存在数量级差异。

重金属迁移规律研究取得突破性进展。通过ICP-MS全元素检测发现，Ni、Co、Cu三种主要金属的浓度呈现显著SOC依赖性：在100%SOC条件下，镍含量达6.2mg/cm3，是50%SOC的2.3倍；钴元素浓度受电解液分解产物影响，呈现先升后降趋势，最高达1.8mg/cm3；铜元素浓度随SOC增加呈指数增长，100%SOC时达到0.95mg/cm3。这种重金属的梯度分布提示，高SOC电池在穿刺受损时，电极活性物质与电解液成分的剧烈反应会优先释放高熔点金属颗粒，这对火灾蔓延路径具有关键影响。

在机理研究方面，研究首次建立了SOC-温度-颗粒物排放的动态关联模型。热失控进程可分为四个阶段：穿刺引发内部短路（0-5min）、气体与烟雾喷射（5-15min）、电弧产生（15-30min）、明火稳定（30min后）。其中50%SOC电池在短路阶段即出现温度梯度突变，形成局部热点（>500℃），而100%SOC电池因残留电解液更多，在短路后15分钟内才触发全面热失控。这种时间差导致颗粒物排放特征存在显著差异，高SOC电池在初期释放更多气溶胶颗粒（<10μm），后期则产生大量燃烧残骸（>100μm）。

研究团队开发的标准化测试平台具有行业创新价值。该平台整合了高精度穿刺装置（定位精度±0.1mm）、实时温度监控网络（采样频率10Hz）和三级粒子收集系统（配备低温萃取装置），首次实现了从微秒级短路到分钟级热失控的全过程颗粒物捕获。特别设计的电池固定装置可保持穿刺深度误差小于5%，确保实验重复性达到99.3%。

在安全防护方面，研究提出了基于SOC的分阶段防护策略。对于50%SOC电池，其颗粒物在300℃时即开始显著挥发，建议在穿刺防护设计时重点考虑中低温防护；而100%SOC电池的颗粒物在500℃以上才进入剧烈排放阶段，这为开发分级响应式灭火系统提供了理论依据。研究还发现，在穿刺深度超过2mm时，电池内部孔隙率与颗粒物沉积密度呈正相关，这为优化电池封装结构提供了新思路。

环境风险评估部分取得重要数据支撑。通过建立颗粒物扩散数学模型，结合ICP-MS检测的金属浓度数据，计算得出在100%SOC穿刺工况下，镍颗粒的悬浮浓度峰值可达4.7×10^6粒/cm3，超出职业暴露限值（PEL）的120倍。研究首次揭示了铝元素在热失控中的迁移规律，发现NCA电池在失控后期铝含量异常升高，这与铝电解液添加剂的分解过程密切相关。

研究不足与未来方向方面，作者特别指出当前实验主要针对新电池状态，未能涵盖循环老化电池的颗粒物特性差异。此外，针对不同穿刺速度（0.1-1mm/s）对颗粒物形态的影响尚不明确，建议后续研究结合高速摄像技术进行动态观测。在技术转化层面，研究团队已与某头部电池企业合作开发原型防护装置，通过嵌入式压力传感器实现穿刺损伤的毫秒级预警，初步测试显示可降低热失控概率达68%。

该研究对电动汽车电池安全设计具有重要指导意义。根据国际电工委员会（IEC）最新安全标准，研究发现的颗粒物中位粒径变化规律要求防护材料需具备梯度孔隙率特性，在50μm以下颗粒过滤效率应达到99.9%。对于NCA体系电池，建议在荷电保持（HOD）30%以上时增加铝元素检测指标，当镍含量超过5mg/cm3时触发主动冷却机制。这些研究成果已被纳入2025版《电动汽车用动力蓄电池安全要求》修订草案，为行业技术标准升级提供了科学依据。