不同约束下磷酸铁锂电池过充热失控特性研究

doi:10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2026.09.0508

中国安全科学学报 ›› 2026, Vol. 36 ›› Issue (9): 111-119.doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2026.09.0508

不同约束下磷酸铁锂电池过充热失控特性研究

杨帆¹^,²(), 白盼星³, 平小凡³, 张存富¹, 曹曦³, 杨宇轩⁴^,^**()

¹ 内蒙古上都发电有限责任公司, 内蒙古锡林郭勒盟 027200
² 西北工业大学凝固技术国家重点实验室、先进润滑与密封材料中心, 陕西西安 710072
³ 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司, 北京 102209
⁴ 中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院, 北京 100083

收稿日期:2026-04-21 修回日期:2026-07-19 出版日期:2026-10-20
通信作者:
^** 杨宇轩(1996—),男,河北深州人,博士,讲师,主要从事城市公共安全与火灾安全方面的研究。E-mail:yangyuxuan@cumtb.edu.cn。
作者简介:
杨帆 (1988—),男,河北安新人,本科,工程师,主要从事储能热失控安全等方面的工作。E-mail: 13948324863@163.com。
白盼星工程师；
平小凡工程师；
张存富高级工程师；
曹曦高级工程师
基金资助:
内蒙古自治区科技突围项目(2024KJTW0016); 华能集团科技项目(HNKJ24-H60); 北京市自然科学基金资助(8264043)

Study on overcharge thermal runaway characteristics of LiFePO₄ batteries under different constraint effects

Yang Fan¹^,²(), Bai Panxing³, Ping Xiaofan³, Zhang Cunfu¹, Cao Xi³, Yang Yuxuan⁴^,^**()

¹ Inner Mongolia Shangdu Power Co., Ltd., Xilingol League Inner Mongolia 027200, China
² State Key Laboratory of Solidification Processing, Center of Advanced Lubrication and Seal Materials, Northwestern Polytechnical University, Xi'an Shaanxi 710072, China
³ China Huaneng Clean Energy Research Institute, Beijing 102209, China
⁴ School of Emergency Management and Safety Engineering, China University of Mining and Technology-Beijing, Beijing 100083, China

Received:2026-04-21 Revised:2026-07-19 Published:2026-10-20

摘要/Abstract

摘要：

为降低锂离子电池过充引发的热失控燃爆风险,完善夹具约束、空间受限与点火条件的耦合调控机制,以314 Ah方形磷酸铁锂电池为研究对象,通过调节“夹具约束—空间受限—点火条件”三因素开展试验,系统探究0.5 C过充工况下电池热失控的现象演化、温度响应及电压变化特征。结果表明:无约束工况下,电池膨胀不受限导致安全阀失效,直接引发爆炸,爆炸前开放/受限空间的表面峰值温度分别为50.78 、54.06 ℃,爆炸冲击力可突破初始物理边界;约束工况下,安全阀正常开启,热失控以烟气喷射或喷射火形式释放能量,开放空间约束点火工况的电池背面峰值温度达458.93 ℃,显著高于受限空间约束点火工况的291.13 ℃;受限空间内未点火时烟气因密度较大在下部积聚,点火后形成高度1.5 m的剧烈喷射火,火焰峰值温度达701.87 ℃;电压演化呈现“上升—平台—陡升—回落”特征,无约束工况因结构破坏缺失完整回落过程。

关键词: 磷酸铁锂电池, 电池过充, 热失控, 燃爆风险, 夹具约束, 受限空间

Abstract:

To mitigate thermal runaway fire and explosion accidents induced by overcharge of lithium-ion batteries and to improve the understanding of the coupling regulation mechanism of fixture constraint, confined space and ignition conditions, this study systematically investigated the evolution of thermal runaway, temperature response, and voltage variation of a 314 Ah prismatic LiFePO₄ battery under 0.5C overcharge by adjusting these three factors. The results show that under unconstrained conditions, unconstrained battery swelling leads to safety valve failure and directly triggers an explosion; before the explosion, the peak surface temperatures are 50.78 ℃ in open space and 54.06 ℃ in confined space. Under constrained conditions, the safety valve opens normally and energy is released in the form of smoke or jet fire; the peak back temperature reaches 458.93 ℃ in open space with ignition, which is significantly higher than 291.13 ℃ in confined space with ignition. In confined space, unignited smoke, being denser, accumulated at the bottom, and a violent jet fire reaching a height of 1.5 m with a peak flame temperature of 701.87 ℃ is formed upon ignition. The voltage evolution is presented as a “rise-plateau-steep rise-drop” pattern, whereas the complete drop process is absentunder unconstrained conditions due to structural damage.

Key words: lithium iron phosphate battery, battery overcharge, thermal runaway, combustion and explosion risk, fixture constraint, spatial confinement

中图分类号:

X928.7火灾与爆炸事故

杨帆, 白盼星, 平小凡, 张存富, 曹曦, 杨宇轩. 不同约束下磷酸铁锂电池过充热失控特性研究[J]. 中国安全科学学报, 2026, 36(9): 111-119.

Yang Fan, Bai Panxing, Ping Xiaofan, Zhang Cunfu, Cao Xi, Yang Yuxuan. Study on overcharge thermal runaway characteristics of LiFePO₄ batteries under different constraint effects[J]. China Safety Science Journal, 2026, 36(9): 111-119.

图/表 8

表1

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表2

表3

图2

图3

图4

图5

参考文献 18

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规格	参数	实物图
尺寸(高×宽×厚)/mm×mm×mm	240×172×71
额定容量/Ah	314
额定电压/V	3.2
充放电电压范围/V	2.5~3.65
质量/g	5 632

无约束开放	过充升温	爆炸	残骸坠落	反应终止
无约束开放
无约束受限
约束开放点火	过充升温	安全阀开启	热失控	反应终止
约束开放点火
约束开放
约束受限点火
约束受限

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序号	空间特征	有/无约束	是/否点火
1	开放空间	有	是
2	开放空间	有	否
3	开放空间	无	否
4	受限空间	有	是
5	受限空间	有	否
6	受限空间	无	否

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