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【研究背景】
随着高压平台在锂离子电池储能、电动汽车等方面的迅速推广，电气故障已成为锂离子电池热失控的重要诱因之一。电弧作为一类较为常见的故障类型，在30V的电压下就能持续存在并产生极高温度(>6000K)的燃弧，极易诱发电池热失控。然而，现有研究多着重于故障电弧对整体电力系统的影响，电池模组/簇仅作为提供起弧条件的电压源参与其中，关于故障电弧作用于电池本体导致电池失效或热失控方面的研究仍相对匮乏。
【工作介绍】
近日，中国石油大学（华东）孔得朋教授课题组开展了电弧故障击穿电池引发失效的机理研究，并对故障电池的热失控行为进行了分析。基于原位及非原位测试对故障电池的老化模式、电极表面成分等进行详细分析，探究了故障电弧诱发电池失效的作用模式及演化机制，明确了故障电池与正常电池的热失控行为差异。该文章发表在能源与化学领域的国际顶级期刊Renewable and Sustainable Energy Reviews上。张越为本文第一作者。
【内容表述】
首先搭建电弧故障模拟试验平台，通过调节直流稳压电源实现不同电弧能量的模拟。考虑到电弧主要由于机械振动、碰撞挤压、绝缘老化以及连接片、端子松动、脱焊等引起，发生在电池正负极端子之间的可能性较大，而安全阀正位于正负极端子中间且相对电池外壳更薄，电弧击穿风险更大，因此选择安全阀作为电弧击穿部位开展研究。
1. 原位测试
图1展示了电弧功率和击穿面积的关系及电弧作用后14天内电池质量变化。电弧能量越大，安全阀破损面积越大，且与电弧功率成正比，与电弧总能量关系不大；结合电池质量变化可以发现，除Case1外，其他工况下电弧均击穿了安全阀引发电池质量下降，对于该电池安全阀电弧安全功率边界应位于Case1与Case2之间，即110 W-425 W；图2为电池健康状态和直流内阻变化。安全阀破损后电池容量产生显著的衰减且内阻增大，上升幅度基本与质量损失成正比。图3为DVA测试结果，结果显示电池容量衰减的主要机制是负极活性材料的损失，其次是可循环锂的消耗，结合后文非原位测试结果，这是由于空气中的水分、氧气等进入电池内部并与电解液等反应导致。
图1 电弧作用结果和电弧作用后电池质量变化
图2 电池健康状态和直流内阻
图3 DVA分析结果
2. 非原位测试
为了进一步分析电池衰减原因，对故障电池进行了拆解及X射线光电子能谱分析（XPS），如图4所示。从图a中可以看到，故障电池负极表面出现明显的石墨剥落现象且有大量黑斑，而正常电池负极表面则光滑平整。XPS结果显示，故障电池负极Li2CO3、LiF含量明显增加，且有析锂出现，考虑到电解质LiPF6具有强烈的吸水性，且易发生水解生成氟化氢（HF）气体，因此产生上述现象的原因主要是其水解产生的HF与负极表面SEI膜发生反应，生成稳定的LiF和Li2CO3沉积在表面变成死锂，造成可循环锂离子的损耗；此外，SEI膜被破坏使得电解液中的溶剂分子与负极活性物质反应，破坏石墨结构并使其剥落，引起活性物质的损失；低电导率的LiF和Li2CO3沉积在表面同时增大了电池内阻。综合以上作用，最终引发电池容量衰减及失效。
图4 负极拆解及XPS分析结果
3. 热失控测试
针对安全阀破损电池开展热失控及火灾危险性测试。考虑到磷酸铁锂电池难以自燃，在电池加热过程中采用脉冲点火器每隔5s进行点火尝试，不同工况下电池火焰特征、点火时间及温升变化如图5所示。相比正常电池，故障电池在热失控过程中没有开阀现象，基于开阀声音相关的热失控预警技术在这种情况下可能失效；故障电池的点火时间相比正常电池可提前约400s，整体火焰持续时间更长因此导致火焰释放总热量更大，具有更高的火灾危险性。
图5 故障电池热失控过程及火焰行为
【结论】
通过以上分析归纳电弧故障引发电池失效的演化路径，如图6所示。首先由于绝缘损坏、连接松动、短路等因素在电池组内引发电弧故障，电弧作用到电池本体可能击穿外壳或安全阀，导致电解液蒸发泄露以及内部副反应，进而引发电极活性物质损失、可循环锂损耗及内阻上升等老化现象，若未及时排除失效电池可能导致电池组不一致性上升，过充、过放及热失控风险增加；如若安全阀被击穿，故障电池热失控期间不会发生开阀过程，且相比正常电池点火起始时间提前，火灾危险性更高。
图6 电弧击穿电池外壳引发失效路径
Yue Zhang, Ping Ping, Xinyi Dai, Chentong Li, Zheng Li, Ping Zhuo, Liang Tang, Depeng Kong, Xiaokang Yin. Failure mechanism and thermal runaway behavior of lithium-ion battery induced by arc faults. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 207, 2025: 114914,
通讯作者简介
孔得朋：中国石油大学（华东）教授，博士生导师，欧盟玛丽居里学者，山东省泰山学者青年专家，山东省优秀青年基金获得者，主要从事油气及新能源（锂离子电池、氢能）安全利用的相关研究。主持包括国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划课题等纵向项目10余项。以第一/通讯作者发表SCI论文60余篇，其中ESI高被引论文9篇，ESI热点论文1篇，相关成果被国内外知名学者引用2000余次。出版教材1部，授权发明专利9项。受邀担任SCI期刊Fire-编委、SCI一区期刊eTransportation、《机械工程学报》、《中国安全科学学报》和《安全与环境学报》青年编委、IEEE PES电动汽车技术委员会（中国）动力电池系统技术分委会理事、中国职业健康安全协会防火防爆专委会委员等，先后获得2023年度公共安全科学技术学会青年科技奖、青岛市第14届青年科技奖等。
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