来源 | Process Safety and Environmental Protection

链接 | https://doi.org/10.1016/j.psep.2025.108333

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背景介绍

锂离子电池（LIB）在 EV/ESS 中应用广泛，但热失控（TR）及蔓延（TRP）存在极端高温（>800℃）、易燃气体释放、快速失效（模组 < 300s 完全失控）等风险，传统空冷热容量低、液冷散热不均，难以应对滥用场景下的瞬时释热。热失控及其传播仍然是锂离子电池中的关键安全挑战，因为传统的空气/液体冷却在滥用条件下无法足够快地散热以阻止失控的链式反应。浸没冷却具有上级传热和储热能力，为增强热管理提供了有前途的替代方案。然而，它抑制热失控传播的机制--跨越温度动力学、能量分布和微观结构失效--仍然知之甚少。

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成果掠影

近日，上海理工大学沈凯、来鑫和清华大学冯旭宁等团队针对锂离子电池热失控蔓延（TRP）难题，以116 Ah NMC 棱柱电池模组为对象，通过钉刺触发实验，对比合成酯（FA）、烃类（FB）两种浸没冷却剂与空冷（FN）的抑制效果，发现浸没冷却可将 TRP 间隔延长5.65-7.97 倍（FA 达 3929 s、FB 达 2786 s，FN 仅 493 s），核心归因于外部燃烧 - 内部冷却（ECIC）机制，且冷却剂以显热吸收为主（潜热占比 25-27%），能显著降低峰值温度、缩小热梯度并减轻电极降解，为电动汽车（EV）和储能系统（ESS）的热安全设计提供了关键数据与理论支撑。研究成果以“Experimental study on immersion cooling for delaying thermal runaway propagation in lithium‑ion battery modules”为题发表在《Process Safety and Environmental Protection》期刊。

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图文导读

图1.用于浸没冷却电池模块钉入试验的试验系统：（a）热电偶位置;（b）模块分解图;（c）实验装置示意图。

图2.单电池EV+ARC热失控测试装置：（a）ARC测试设备照片;（b）热电偶位置示意图。

图3.单电池热失控：温度和电压与时间的关系（左）以及温度与温升率dT/dt的关系（右，对数水平刻度）。

图4.不同冷却条件下电池模块的热失控燃烧阶段。

图5.各组电池模块的TRP曲线和红外图像：（a）无浸液（FN）组的TRP曲线;（b）有FA浸液组的TRP曲线;（c）有FB浸液组的TRP曲线;（d）TR启动后0、200、400、600和800 s时FN、FA和FB的红外快照。

图6. ECIC状态示意图（酒精灯模拟）。

图7.三组电池模块的热失控温度特性：（a）FN组（无浸没冷却剂）;（b）FA组（合成酯冷却剂）;（c）FB组（烃冷却剂）。

图8.热失控后电极材料的微观结构：（a）FN组中的阴极;（b）FN组中的阳极;（c）FA组中的阴极;（d）FA组中的阳极;（e）FB组中的阴极;（f）FB组中的阳极。