DETA蓄电池NCM电池在热失控过程中产生的燃料费量高于LFP电池

发布时间：2026-02-27 11:28:32 点击：次

火灾烟气体积

不同荷电状态（SOC）下磷酸铁锂（LFP）与三元（NCM）电池热失控过程中绝热加速量热仪（ARC）腔体内最大压力变化规律如图图4所示。燃烧实验期间，ARC腔体压力上升源于LFP与NCM电池热失控时释放的大量燃料费以及温度升高引发的体积扩展包效应。

不同荷电状态（SOC）下磷酸铁锂（LFP）与镍钴锰（NCM）电池的燃料费释放量及氧气消耗量如%%图5所示Fig. 5.

NCM电池在热失控过程中产生的燃料费量高于LFP电池。尤其在荷电状态较高时（SOC≥75%），NCM电池的燃料费产量会急剧上升。这是由于NCM电池热失控过程中释放的热量更高，且其正极材料中的镍钴锰氧化物是一种优良的燃烧催化剂，能够促进电解液热分解生成H₂、CO和碳氢化合物等燃料费。因此，燃料费产量会显著增加。
磷酸铁锂（LFP）与镍钴锰（NCM）电池在荷电状态（SOC）为25%时均达到最高氧消耗量。这是由于热失控期间的热分解与氧化反应同时受到热量与自由基的双重调控[42当SOC为0%时，锂碳化合物（LiC）的生成量₆阴极中的锂含量过低，导致热量释放减少且温度相对较低。该过程的主要反应是电解质的氧化。然而，由于此过程中热量不足的抑制作用，气体产生量和氧气消耗量均相对较低。当SOC为25%时，存在一定量的LiC₆在阴极处，反应温度有所上升，但仍未超过500°C。此时，该过程中的主要反应为电解质与阴极材料的氧化反应，因此耗氧量达到峰值，同时CO和CO的生成量₂显著增加。当荷电状态（SOC）较高时，电池会释放更多热量并导致温度上升。此时热分解反应占据主导地位，而氧化反应则相对较弱。火灾产生的可燃气体未被点燃以进行氧化反应。因此，火灾实验的宏观结果表明氧气消耗量相对较低。
在LFP和NCM电池的热失控过程中，H2的生成量随SOC升高而增加。在高SOC条件下，NCM电池的H2生成量显著高于LFP电池。H2主要来源于电解液的热分解反应，且SOC越高，反应温度越高，H2生成量越多。₂NCM电池中的H2生成量显著高于LFP电池。H2主要来源于电解液的热分解反应。₂SOC值越高，反应温度越高，生成的H2也越多。₂在NCM电池的热失控过程中，其放热量较高，且NCM正极材料中的镍钴锰氧化物表现出良好的燃烧催化效应，这会促进高温热分解反应中H₂、CO和C₂的生成。而LFP电池的正极材料则未表现出显著的燃烧催化效应。即使在高SOC状态下反应温度较高时，H_x、CO和C_y的生成量也显著低于NCM电池。₂, CO, and C_xH_y are significantly lower than that of NCM batteries.

3.3. 不同荷电状态下的LFP与NCM锂离子电池内部结构变化

火灾实验前后不同荷电状态LFP电池的内部结构如图所示图6LFP电池内部由两组卷绕式极片构成。初始状态下，电池内部极片排列整齐且紧密。经过燃烧实验后，电池外壳发生膨胀变形，极片间出现间隙。当SOC分别为0%、25%和50%时，这些电池在热失控过程中的最高温度与火灾气体生成量相对较低，且持续时间较长，温升速率及火灾气体生成速率较为缓慢。电极片部分区域首先发生热分解反应，生成可燃性气体并导致极片膨胀。这使得可燃气体有充足时间从极片间隙逸出，形成明显的排气通道。此外，在整个热失控过程中，电解液的氧化反应占主导地位。因此，电池内部间隙更易发生氧化反应，产生CO和CO<sub>2</sub>等气体。₂这导致膨胀并形成新的间隙。热失控发生后，在电池壳体与极片之间、卷绕极片之间，以及卷绕极片中心轴与变形严重的电池壳体之间会形成明显的排气通道。

当电池荷电状态（SOCs）较高（75%和100%）时，其热失控过程持续时间较短。电池产生更多可燃气体，温升速率和产气速率均更快。其热失控温度更高，且泄压阀开启更早。泄压阀开启后，大量可燃气体迅速释放，导致电池内部压力下降，因此电池形变相对较小。此外，在热失控过程中，电解液的热分解反应占主导地位。极片表面的电解液发生热分解反应，生成CO、CO等可燃气体。₂, C_x ，以及H_y。经涂布的极片发生膨胀，并在极片之间形成均匀的间隙。₂. The wound electrode sheets swell and form uniform gaps between them.
不同SOC状态下的NCM电池在燃烧实验前后的内部结构如图Fig. 7所示。NCM电池内部同样由两组卷绕电极片构成。与LFP电池相比，NCM电池的内部形变更显著：电池膨胀更为剧烈、极片间距更大且部分极片碎裂成片状。

当SOC为0%和25%时，由于NCM正极材料的燃烧催化作用，其热失控过程中电解液的热分解反应比LFP电池更为剧烈。且火灾燃料费释放量、最高温度及反应速率均高于LFP电池。因此NCM电池极片间间隙更大，壳体膨胀现象更为明显。
当SOC分别为50%、75%和100%时，NCM电池中因膨胀破裂的电极片会出现若干裂纹。随着SOC升高，裂纹数量增多且更为细密。这是由于正极铝箔集流体的熔点约为650°C，而这些NCM电池热失控期间的最高温度均超过500°C。在此高温条件下，铝箔集流体的机械强度会完全丧失。此外，大量燃烧气体的产生导致电池内部应力显著上升，致使电极片被撕裂形成裂纹。更重要的是，在热失控过程中，这些裂纹还可能触发电池内部短路。电化学反应与热化学反应相互耦合叠加，使得放热反应更为剧烈[43,44].
已有研究表明，当SOC为100%的NCM电池发生热失控后，极片表面会形成细小金属颗粒。这些金属颗粒可能是铝箔集流体熔化形成的熔融液滴（Drop），也可能是高温条件下铝箔与镍钴锰氧化物发生铝热反应（Action）生成的单质镍、钴和锰金属。该现象的具体成因机制将在后续研究中予以详细阐释。
本文的创新之处在于基于火灾实验，对不同荷电状态(SOC)的磷酸铁锂(LFP)与三元(NCM)锂离子电池在热失控过程中的热释放规律、燃料费释放规律及机理进行了深入分析。进一步探究了电池内部结构在热失控过程中的损伤机制，为构建精细化的锂离子电池热失控模型奠定了理论基础。

4. 结论

本研究聚焦于LFP与NCM锂离子电池，通过绝热量热仪（ARC）实验结合气相色谱（GC）与计算机断层扫描（CT）技术，系统探究了不同荷电状态（SOC）下电池热失控过程中的热量释放特性、火灾燃料费排放规律及内部结构损伤机制。主要结论如下：

(1)
Quantitative relationship between SOC and thermal runaway intensity: The thermal runaway intensity of both LFP and NCM batteries exhibits a positive correlation with SOC, and the total heat release and peak heat release rate show a significant linear relationship with SOC. Under the same experimental conditions, NCM batteries exhibit higher thermal runaway sensitivity—they have lower initial self-heating temperatures, require less time to reach complete thermal runaway, and their total heat release, peak heat release rate and maximum temperature are significantly higher than those of LFP batteries. In contrast, LFP batteries demonstrate superior safety performance: complete thermal runaway occurs only when their SOC exceeds 50 %, while no complete thermal runaway is observed when SOC is below 50 %.
(2)
Regulatory effect of SOC on fire gas generation: SOC plays a decisive role in the species and yields of fire gases generated during the thermal runaway of both battery types. When SOC exceeds 50 %, the internal reaction temperature of the battery increases, and the thermal decomposition of the electrolyte becomes the dominant reaction, leading to a significant increase in the production of hydrocarbons and hydrogen. When SOC is below 50 %, oxidation reactions dominate, resulting in higher proportions of carbon monoxide and carbon dioxide.
(3)
Differentiated mechanisms of internal structural damage: The high temperature and pressure generated by thermal decomposition and oxidation reactions during thermal runaway are the core drivers of internal structural damage in LIBs. For LFP batteries: when SOC is below 50 %, electrolyte oxidation reactions dominate, and gas generation causes the expansion of gaps between electrode sheets, forming gas-conducting channels; when SOC exceeds 50 %, thermal decomposition reactions become dominant, leading to the formation of uniform gaps between electrode sheets. For NCM batteries, the higher temperature and pressure during thermal runaway cause the melting and fracture of aluminum foil current collectors, which further exacerbates internal structural damage and even results in electrode fragmentation.

本研究结果对提升基于锂离子电池（LIB）的储能系统与电动汽车安全性具有重要启示：作为风险评估的基础，该研究为评估磷酸铁锂（LFP）和镍钴锰酸锂（NCM）等不同化学体系LIB的热失控风险提供了量化框架，从而使工程师能够针对特定应用场景开展电池安全性定向设计。在运行安全指导方面，磷酸铁锂电池（LFP LIB）发生完全热失控的50%荷电状态（SOC）阈值的确定，为实际电池运行中的SOC管理提供了可操作性指导，有助于降低灾难性热失控事件的风险；此外，从机理研究的角度来看，该研究通过阐明固态电解质界面（SOC）、热解气体生成与内部结构损伤之间的关联，深化了对锂离子电池热失控机制的理解，为开发电解液改性、集流体优化等针对性抑制策略奠定了理论基础。

5. 展望

尽管本研究阐明了锂离子电池热失控的关键规律，但仍存在需要进一步探索的研究方向。后续工作可围绕以下维度展开。

(1)
Mechanism of cathode materials on electrolyte combustion reactions: The current study has not systematically elaborated on the regulatory effect of cathode materials (especially the nickel-cobalt-manganese oxides in NCM) on electrolyte combustion reactions. Subsequent research should focus on the catalytic properties of transition metal oxides in NCM cathodes, deeply analyzing their impacts on the thermal decomposition pathway of electrolytes, free radical generation, and heat release rate. It is necessary to clarify the quantitative relationship of catalytic effects, so as to fill the research gap in the synergistic mechanism of cathode-electrolyte interface combustion reactions.
(2)
Synergistic damage mechanism of thermal reactions-fire gases-internal structure: The existing research has not fully revealed the coupling relationship among heat release from thermal reactions-fire gas generation-internal structural damage during thermal runaway. In the future, combined with technologies such as in-situ CT scanning and real-time gas component analysis, it is necessary to dynamically track the evolution of the internal temperature field, gas concentration field, and structural deformation of batteries under different SOCs. The influence of thermal reaction intensity on gas release rate and the driving effect of gas pressure on structural damage should be quantified to clarify the synergistic effect mechanism of the three. This will provide multi-dimensional new insights for LIB safety design, focusing on inhibiting reactions-controlling gases-protecting structures.
(3)
Establishment of high-precision numerical models for thermal runaway and fire: Current numerical models for LIB thermal runaway mostly simplify the coupling process of gas generation and structural damage, making it difficult to accurately evaluate the fire development trend. Based on this study and more experimental data, future work should integrate theories of thermodynamics, fluid mechanics, and structural mechanics to construct a multi-physics coupling numerical model covering "material reaction-gas migration-structural failure". This model will improve the prediction accuracy of thermal runaway initiation time, fire gas diffusion range, and structural damage degree, thereby laying a core model foundation for the efficient assessment of LIB fire risks and the development of prevention and control technologies.