锂铁磷酸盐电池荷电状态分层热失控的多模态同步监测平台研究及其安全优化意义

为解决锂离子电池(LIBs)热失控(TR)多参数同步监测难题，研究人员开发了集成红外热成像、气体分析和热释放率(HRR)检测的多物理场监测平台，揭示了荷电状态(SOC)对LiFePO4电池热失控特性的分级影响。研究发现100% SOC电池以热驱动失效为主(总热释放5.95 MJ/m2)，50% SOC则优先释放烟雾气溶胶(颗粒密度高520%)，为SOC分层安全协议和相变热障材料优化提供实验依据。

　　

随着全球能源转型加速，锂离子电池(LIBs)已成为电动汽车和电网储能的"心脏"，而锂铁磷酸盐(LiFePO₄或LFP)电池因其高安全性和长循环寿命备受青睐。然而这颗"绿色心脏"存在致命隐患——热失控(Thermal Runaway, TR)，这种自持放热反应链可在数秒内引发电池爆燃。更棘手的是，电池荷电状态(State of Charge, SOC)如同"能量闸门"，显著影响TR的触发阈值和烈度，但传统检测方法如同"盲人摸象"，仅能捕捉单一参数，无法揭示SOC分层的热-气-烟多维度耦合机制。

山东科技大学安全与环境工程学院的Longfei Han、Mengdan Zhang团队在《Next Energy》发表的研究，构建了首个TR全链条多物理场监测平台。该平台整合锥形量热仪、红外热成像和高速摄像等技术，实现了从触发 initiation到气体 speciation的时空关联分析，如同为TR过程安装了"CT扫描仪"。关键技术包括：1)采用18650型LFP电池建立SOC梯度模型(0%/50%/100%)；2)通过锥形量热仪同步采集HRR、总热释放(THR)和烟雾生成率(SPR)；3)结合红外热成像重构二维温度场；4)运用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)解析电极降解机制。

研究结果揭示：

3.1 LFP电池TR行为分析

红外热成像显示SOC与TR烈度呈正相关：100% SOC电池在368秒爆发剧烈火焰(峰值648°C)，50% SOC仅产生烟雾(392°C)，0% SOC则保持相对稳定(323°C)。这如同"能量阶梯"——SOC越高，储存的化学能越多，TR时释放的破坏力越强。

3.2 电池温度分析

温度上升速率(dT/dt)曲线揭示三阶段规律：100% SOC电池在加速期达到79.4°C/s的爆发式升温，是50% SOC的5倍。XRD显示高SOC电池阳极生成更多碳相关物质(C₈₈-Carbon)，证实SOC升高会降低材料热稳定性。

3.3 电池产热与产气分析

锥形量热仪数据呈现"能量-烟雾跷跷板"效应：100% SOC的THR达5.95 MJ/m²(50% SOC的5倍)，但50% SOC的烟雾释放量反超520%。这表明高SOC促进完全燃烧生成CO/CO₂，而中等SOC更易产生不完全燃烧颗粒。

3.4 表征与形貌分析

SEM显示100% SOC电池阴极出现板状形貌，元素 mapping显示Fe含量锐减；XPS证实O 1s谱中532.1eV峰(电解质分解)随SOC增强，但Fe 2p谱稳定，说明LFP骨架具有特殊热稳定性。

3.5 不同SOC电池参数分析

雷达图量化SOC的"风险乘数效应"：从0%到100% SOC，T_max、THR_max等6项参数呈辐射状扩张，100% SOC时CO生成速率达峰值，印证"满电状态=高风险"的行业经验。

该研究突破传统单参数检测局限，首次建立SOC-TR多参数关联图谱，为电池管理系统(BMS)提供关键理论支撑。特别是发现50% SOC电池的"高烟雾-低热量"特性，提示储能电站需差异化设计通风与灭火系统。相变热障材料研发者可依据THR数据，针对不同SOC电池优化热管理策略。这项"从实验室到产业"的研究，为锂电安全技术树起新的里程碑。