受限空间中的电池火焰安全：泡沫铜的作用，电池烟气及燃烧反应动力学
受限空间中的电池火焰安全：泡沫铜的作用、电池烟气及燃烧反应动力学
01
研究背景
02
摘要概述
03
主要研究发现
如图1所示，NCM软包电池TR火焰先后经历“动量主导”和“浮力主导”两个阶段：前者火焰呈倒锥形、速度高、直径小，对受限空间顶部威胁最大；后者火焰高度增加、直径扩大。20 PPI泡沫铜未能阻挡火焰，绝大部分火焰直接穿透；40 PPI 与60 PPI泡沫铜则明显淬熄火焰并将其压低，火焰被引导沿铜泡沫顶部横向扩散，显著减弱纵向燃烧。
图1. 烟气实验和火焰实验的实验现象
（2）烟气颗粒的作用
为了探索颗粒物对电池热量积累的影响，我们进行了烟气实验，图2说明了电池表面的温度变化和电池上方热电偶在烟气测试中监测的温度变化。烟气实验结果表明，泡沫铜能有效吸附并阻挡这些颗粒物向上扩散，使在高温期间沉淀在电池表面的颗粒物量减少，这减少了从高温颗粒物到电池的热量传递。同时，泡沫铜的高散热也降低了颗粒物的温度，从而降低了颗粒物对细胞的辐射。颗粒物的减少可能导致喷射涡流强度的降低，从而减少热对流，并最终减少邻近电池模块中热量的积累。添加泡沫铜后使烟气高温段的平均温度从103.3 ℃降至91.2 ℃，并使得相邻电池表面的累积温升从10.2 ℃大幅降低至4.5 ℃。图3（a）和（b）分别显示了TR前后20个PPI铜泡沫的扫描电子显微镜（SEM）图，其直观地显示了泡沫铜内部吸附的大量颗粒物。
图4. 不同孔径泡沫铜下泡孔温度和火焰温度随时间的变化：（a）空白组 ；（b）20 PPI泡沫铜 ；（c）40 PPI泡沫铜；（d）60 PPI泡沫铜
图5. 质量变化：（a）不同测试电池模块的绝对质量损失；（b）不同测试中不同电池的质量损失
图6. 火焰试验中不同孔径泡沫铜下的能量流动示意图：（a）空白组；（b）20 PPI泡沫铜 ；（c）40PPI泡沫铜； （d）60PPI泡沫铜
图7. 燃烧前后泡沫铜的外观：（a）20 PPI泡沫铜 ；（b）40 PPI泡沫铜 ；（c）60 PPI泡沫铜
泡沫铜凭借高热导率快速横向分散火焰热量，降低热应力；三维微孔结构通过“冷壁效应”淬熄火焰、减少O₂供应、捕集高温颗粒，进而抑制CO/H₂链式燃烧反应中OH、H自由基的生成。此外，半定量分析（图8）进一步揭示，40 PPI泡沫铜在参数α（通过泡沫铜的火焰与到达泡沫铜下端的火焰的比率，用于可视化泡沫铜对电池火焰的淬火和压低作用）上取得了最佳平衡，既有效淬灭了火焰，又避免了因过度压低火焰导致辐射增强而加剧水平TR的风险。
图8. （a）未熄灭和淬火火焰的典型实验现象；（b）用于计算两种典型实验现象下火焰体积的简化模型；（c）不同泡沫铜测试下的参数α
如表1所示，从综合性能（对火焰温度的冷却幅度AT、延迟到达时间Δt、延长TR间隔ΔTR）和成本效益考量，40 PPI泡沫铜被确定为最优选择。其潜在应用方向包括：在电动汽车电池包中，可固定于顶板下方以吸收毒性颗粒、抑制火焰传播并缓解热应力，保护人员安全；在储能系统中，可与相变材料（PCM）结合，构建一种兼具日常热管理功能和TR时垂直火焰抑制能力的“水平-垂直”双向安全热管理系统。
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未来研究计划
未来可通过仿真模拟或人工智能（AI）方法更深入地探究电池火焰与泡沫铜相互作用的微观机制，并在此基础上构建一个更加智能化、综合性更强的受限空间电池火焰防护系统，以进一步提升电池安全水平。
选自微信公众号 UJS锂电安全