基于层次分析法的21700锂离子电池热失控风险评估

邓军; 潘伦楠; 杨雯; 张嬿妮; 王彩萍; 吴浩印

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2507932

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (30) :13282-13292 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2507932

论文：环境科学、安全科学

基于层次分析法的21700锂离子电池热失控风险评估

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Thermal Runaway Risk Assessment of 21700 Lithium-ion Battery Based on Analytic Hierarchy Process

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摘要

为了评估21700三元锂离子电池热失控的风险,基于锂离子电池热失控实验平台,通过在不同加热功率和电池荷电状态(state of charge,SOC)条件下获取电池表面温度、质量损失、燃爆压力及CO/CO₂浓度等数据,采用层次分析法(analytic Hierarchy process, AHP)从电池热失控敏感性和后果严重性两个方面对电池进行综合危险性定量评价。结果表明:随着SOC和加热功率的提高,安全阀开启温度(T_v)和热失控触发温度(T_TR)逐渐降低,安全阀开启至进入热失控的滞后时间(Δt)和温度差(ΔT)显著缩短,质量损失、燃爆峰值压力及CO/CO₂浓度明显增大。综合危险指数(comprehensive hazard index, CHI)随SOC和加热功率单调增加,高危险区主要集中在SOC≥75%且加热功率≥150 W的工况,中等危险区对应50%~75% SOC或SOC较高但加热功率较低的工况,低危险区则主要为SOC≤25%且加热功率≤150 W的工况。该研究可帮助评估锂离子电池在密闭场景下的安全风险,为锂离子电池储能及运输的安全性和电池安全设计提供了基础数据和支撑。

Abstract

To assess the risk of thermal runaway in 21700 ternary lithium-ion batteries, a comprehensive quantitative risk evaluation was conducted using AHP (analytic Hierarchy process) method, focusing on both the sensitivity and severity of thermal runaway. This evaluation was based on a lithium-ion battery thermal runaway experimental platform, which collected data on battery surface temperature, mass loss, combustion and explosion pressure, and CO/CO₂ concentrations under various heating power and SOC conditions. The results indicate that as SOC and heating power increase, the safety valve opening temperature (T_v) and thermal runaway trigger temperature (T_TR) gradually decrease, while the time lag (Δt) and temperature difference (ΔT) between safety valve opening and the onset of thermal runaway significantly shorten. Additionally, mass loss, peak combustion/explosion pressure, and CO/CO₂ concentrations increase markedly. CHI (comprehensive hazard index) increases monotonically with SOC and heating power. The high-risk zone is primarily concentrated in operating conditions where SOC≥75% and heating power ≥150 W. The medium-risk zone corresponds to operating conditions with SOC between 50% and 75% or high SOC but low heating power; and the low-risk zone primarily consists of operating conditions where SOC≤25% and heating power ≤150 W. The safety risks of lithium-ion batteries in enclosed environments can be assessed with the aid of this study, and foundational data and support are provided for the safety of lithium-ion battery energy storage and transportation, as well as for battery safety design.

Graphical abstract

关键词

锂离子电池 / 热失控 / 加热功率 / 荷电状态 / 层次分析法

Key words

lithium-ion battery / thermal runaway / heating power / state of charge / analytic hierarchy process

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邓军, 潘伦楠, 杨雯, 张嬿妮, 王彩萍, 吴浩印. 基于层次分析法的21700锂离子电池热失控风险评估[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(30): 13282-13292 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507932

DENG Jun, PAN Lun-nan, YANG Wen, ZHANG Yan-ni, WANG Cai-ping, WU Hao-yin. Thermal Runaway Risk Assessment of 21700 Lithium-ion Battery Based on Analytic Hierarchy Process[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(30): 13282-13292 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507932

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随着中国新能源行业的大力发展,锂离子电池因其高能量密度、功率容量大、循环寿命长等优点,广泛应用于动力汽车、消费电子及储能电站等领域^[1-3]。据不完全统计,2025年1—4月中国锂离子电池总产量超过473 GW·h,同比增长68%。然而,锂电池热失控引发的安全事故也在日益增多,造成了重大的经济损失,并对人员与设备安全构成重大威胁。造成电池热失控的因素可分成机械滥用、热滥用和电滥用三大类,其中热滥用是指电池受到热因素的影响,进而引发热失控的现象。因此,围绕电池热失控机理及其定量安全评估的方法研究,对于保障个人与企业的安全、稳定和可持续发展具有重要意义。

为了降低锂离子电池在使用及运输过程中的安全风险,中外研究人员对电池热失控行为开展了大量研究工作发现,随着荷电状态(SOC)的升高,电池内部反应潜能增加,热失控起始温度降低、诱发时间缩短、放热强度显著增强。例如,Liu等^[4]使用243 Ah磷酸铁锂电池进行热滥用实验,发现总放热量高达19 530.6 kJ,热失控风险随SOC升高而急剧增加。汤元会等^[5]、孙建丹等^[6]和杜光超等^[7]研究了不同SOC对18650电池热失控的影响,指出SOC越大,电池热稳定性越小,热失控越剧烈。Quintiere^[8]研究表明18650电芯的分解能量随SOC增加可超过其储能的2倍,燃烧能量甚至可达6倍。相关研究进一步拓展到21700及三元体系锂离子电池的健康状态、预警特征及受限空间热传播等方面,表明电池状态参数和场景条件对热失控触发与后果具有重要影响^[9-11]。Chen等^[12]比较了21700电池在30%与100% SOC条件下的热失控差异,指出SOC对喷射、火焰及热释放速率具有显著影响。杨坤等^[13]和Ouyang等^[14]通过对高能量密度21700电池热失控行为研究,指出SOC越大,热失控时的温升速率越大,质量损失越多。Chen等^[15-16]针对21700圆柱锂离子电池的实验研究表明,满充状态电池热失控时会产生剧烈喷射火焰,且显著高于低电量状态。随后进一步通过径向针刺实验研究了21700电池在不同SOC下的侧壁破裂行为,发现SOC≥50%时破裂风险显著增加,并提出增加壳体厚度与设计底部排气口以提升安全性。此外,已有工作多关注加热速率、加热面积、加热位置。研究表明,加热速率越高,热失控越容易提前诱发,且能量集中释放的危险性越大^[17-18]。Liu等^[19]发现棱柱型电池中加热面积是关键因素,而软包电池更受功率影响。Huang等^[20-21]开展了过充与过热两种滥用条件下三元锂离子电池热失控实验,发现在开放环境中过热方式下更易触发热失控。并进一步阐明了加热位置对热失控传播的影响,揭示了热导率主导的影响机制。Ohneseit等^[22]通过加速量热(accelerating rate calorimeter, ARC)实验揭示,不同SOC和化学体系对临界升温速率响应存在差异。Shelke等^[23]通过结合EV-ARC实验与3D CFD模拟,研究了21700电池的热失控行为。研究揭示在高温下阴极及电解液分解反应产热急剧上升是触发热失控的关键。Abbott等^[24]利用质谱系统地分析了21700 NCM电池热失控排气组分,发现气体种类和体积与SOC方式密切相关;Nilsson等^[25]评估了排气燃烧特性,指出其燃烧热释放和火焰传播对舱体安全至关重要。目前已有一些工作开始从系统安全评估角度研究锂电风险。Hu等^[26]基于故障树(fault tree analysis, FTA)和层次分析法(analytic Hierarchy process, AHP)建立了车用锂电池系统的安全评估表,对不同失效模式相关的试验项目进行加权,形成较系统的安全性评价方法。Li等^[27]结合实验与数值模拟,构建了矿井受限空间中锂电池火灾的多风险表征模型,并采用模糊层次分析法(fuzzy analytical hierarchy process, FAHP)对热失控和有毒烟气耦合风险进行分级评估,说明AHP/FAHP在锂电多风险评价中的适用性。

综上,已有研究从SOC、能量密度及热失控触发方式等方面对锂离子电池热失控行为开展了大量工作。然而,针对单体三元锂离子电池热失控风险评估的研究仍相对匮乏。基于此,现以三星21700-50S三元锂离子电池为研究对象,构建密闭罐式热失控实验平台,在不同SOC和加热功率下测试电池表面温度演化、质量损失、燃爆压力及有毒烟气浓度等关键参数,并引入层次分析法(AHP)从电池热失控的“敏感性-后果严重性”两个方面对热失控危险性进行综合量化,为储能及运输场景下锂离子电池安全风险识别与安全设计提供基础数据与方法支撑。

1 实验

1.1 样品

以三星21700-50S型三元锂离子电池为实验样品。电池直径21 mm、长度70 mm,正极和负极材料分别为镍钴锰氧化物(nickel cobalt manganese oxi-de, NCM)和石墨,标称容量和标称电压分别为5 000 mAh和3.6 V。在测试之前,电池被剥去塑料包装,无塑料包装电池初始质量为69.8 g±0.3 g。采用Neware BTS-5V10A的电池循环仪在恒流-恒压(CC-CV)条件下对电池进行5次充放电循环,最终充电至0%、25%、50%、75%和100% SOC。充电结束后,电池保持24 h以确保稳定性。

1.2 实验布置

为了研究不同加热功率对锂离子电池热失控特性的影响,实验基于罐体体积为700 L的刚性密闭抗压罐设计热失控实验平台,如图1所示。舱体侧边安装耐高压高温的防爆玻璃观察窗。顶部侧边缘安装搅拌风扇,促进气体均匀混合,提高取样准确性。通过MATRIX-MG01气体分析仪获得锂离子电池热失控过程中的有毒气体浓度。采用索尼FDR-AX700型摄像机以60 Hz记录。控制终端采用西门子PLC(可编程逻辑控制器)及高精度模拟量模块,系统支持测试流程的自动化控制,并通过可视化界面实时显示关键参数。

使用钢制夹具固定被测电池,加热源紧贴被测电池,将3个直径为1 mm的K型热电偶放置在被测电池表面。使用耐高温胶将热电偶固定在电池的背面和两个侧面,分别用T1、T2和T3表示。加热源使用与21700电池尺寸一致的定制镍铬丝加热棒,热电偶的误差为±0.5 ℃。为了消除散热系数不同导致热电偶之间温度差的影响,用平均值T表征电池表面温度。质量损失由Mettler电子天平测量,电池与电子天平之间采用隔热层以减少热量损失。为确保实验数据的可靠性,各实验结果均采用3次重复实验的“平均值±标准偏差”的形式表示,以表征重复实验结果的离散程度。

2 结果与讨论

2.1 电池热失控的临界条件分析

对不同SOC条件下的电池进行加热以触发电池热失控,得到的典型实验现象如图2所示。随着加热棒的持续加热,电池安全阀冲开并伴随气体持续缓慢喷出,此时伴随短促的冲击声。随着加热棒继续加热电池,锂离子电池会剧烈喷射出池内物质并释放大量烟气,喷射持续时间约为3 s,并且发出耀眼的白光及剧烈声响。紧接着发生剧烈燃烧并逐渐转入稳定燃烧阶段,最终火焰逐渐衰减直至完全熄灭。

100、150、200 W加热功率下不同SOC电池表面温度随时间的演化曲线如图3所示。在3种加热功率下,0% SOC电池触发安全阀开启的温度(T_v)均约为194 ℃,表明在电池完全放电时,安全阀开启温度主要由壳体结构与内部气体生成特性决定,与外部加热功率相关性较弱。随着SOC从0%提高至75%,T_v逐渐下降至135.2~142.6 ℃,例如,在 200 W 工况下由194.3 ℃降至135.2 ℃,说明高SOC条件下,较低的表面温度即可使电池内部反应产气并导致安全阀开启。同时,安全阀开启时间(t_v)随SOC增加和加热功率增大而明显缩短。以50%SOC为例,t_v由100 W时的488 s减小到150 W的361 s和200 W的265 s。这表明在较大加热功率和较高能量储存水平下,电池更快达到安全阀开启条件,升温过程被显著压缩。热失控触发温度(T_TR)与起始时间(t_TR)进一步反映了电池由稳定升温向剧烈放热阶段的转折特征。对0~75% SOC工况而言,T_TR随SOC增加呈明显下降趋势:在100 W加热下由0% SOC的273.1 ℃降至75% SOC的155.4 ℃;在200 W加热下由268.5 ℃降低至 147.5 ℃。这说明在高SOC条件下,内部可参与放热分解的活性物质量增加,使得电池在更低的温度下即可进入热失控阶段。与此对应,t_TR亦随SOC和加热功率的提高而单调减小,如0% SOC条件下,t_TR由100 W的856 s缩短至200 W的444 s。

特别值得注意的是,安全阀开启至热失控开始这一滞后时间窗口(Δt=t_TR-t_v)与触发安全阀开启至热失控起始的温度差(ΔT=T_TR-T_v)都随SOC增大明显收缩:Δt在100 W下由0% SOC的160 s减小至75% SOC的34 s,ΔT由0% SOC的78.4 ℃缩小至75% SOC的12.8 ℃;在200 W下Δt则由65 s减小至15 s,ΔT由74.2 ℃缩小至12.3 ℃。滞后时间Δt的缩短意味着安全阀开启后可供泄压与干预的时间显著减少,热失控过程呈现出更强的突发性和难控性。温度差ΔT的减小则表明在安全阀动作时电池表面温度已接近热失控临界温度,仅需极小的附加升温即可进入热失控,体系的温度缓冲区被严重削弱。

从热失控峰值温度(T_max)的变化可以看出,除100% SOC发生爆炸而无有效峰值外,0~75% SOC条件下T_max随SOC提高总体呈上升趋势,在相同SOC下随加热功率增加亦有所提高。例如,在75% SOC时,T_max分别为765.5 ℃(100 W)、795.5 ℃(150 W)和887.4 ℃(200 W)。这表明在能量储存水平较高、外部加热更剧烈的工况下,一旦进入热失控阶段,体系放热更为猛烈,电池表面可达到更高温度,可能引发更严重的连锁危害。

为了便于更好地比较电池在不同加热功率下的热失控特性,热失控过程中电池关键温度与时间如表1所示。需要指出的是,100、150、200 W加热功率下的100% SOC电池均在热失控过程中发生爆炸,因而无法获得对应的T_TR和T_max。这一现象表明,在高SOC与较高加热功率的耦合作用下,电池体系的临界失效条件进一步劣化:一方面,T_v已降至134.8~139 ℃的较低水平,t_v和t_TR均显著缩短;另一方面,安全阀开启后的泄压与缓冲作用不足以阻断内部快速放热和气体急剧生成,热失控过程直接演化为爆炸失效。对3次重复实验结果进行统计可知,不同工况下T_v、T_TR、T_max、t_v及t_TR的标准偏差整体较小,说明实验系统具有较好的重复性。具体来看,T_v的标准偏差为±1.2~±1.8 ℃,T_TR的标准偏差为±1.5~±2.8 ℃,T_max 的标准偏差为±6.7~±12.5 ℃;对应的t_v和t_TR的标准偏差分别为±7.0~±15.6 s 和±7.0~±19.9 s。相比低SOC工况,高SOC及较大加热功率条件下部分时间参数的波动略有增加,这主要是电池在接近热失控临界状态时,内部副反应加速、产气增强以及喷射行为随机性提高,导致热失控演化过程的瞬态波动性增加。尽管如此,各关键参数随SOC和加热功率变化的总体规律在重复实验中保持一致,即随着SOC升高和加热功率增大,电池更早发生安全阀开启和热失控,且安全阀开启至热失控之间的时间窗口和温度裕度整体呈减小趋势,说明本文关于热失控敏感性变化规律的结论具有较好的可靠性。为全面刻画不同工况下热失控的破坏程度,有必要从质量损失、压力响应及气体生成等后果特征进行进一步分析。

2.2 电池热失控后的危险性参数分析

进一步从电池质量损失(M_loss)、燃爆压力峰值(P_max)及气体释放特征等多方面对比评估不同加热功率和SOC条件下热失控特性的影响。不同SOC的燃爆特性明显不同,0% SOC电池仅表现为温和的产烟过程,未观察到明显的压力变化;而100% SOC电池则表现出爆炸特征,伴随瞬时高压释放。25%、50%和75% SOC电池呈现出介于两者之间的燃爆喷射行为,其压力释放过程虽然没有100% SOC水平下的电池剧烈,但仍能产生具有破坏性的压力冲击波。

不同加热功率下不同SOC电池热失控后的M_loss如图4所示。可以看出,在同一加热功率下,M_loss随SOC提高近似单调增加。以100 W为例,M_loss由0% SOC时的17.8 g增至100% SOC时的59.9 g,增加约3.4倍;150 W和200 W工况下亦表现出类似趋势,且在相同SOC下,较大加热功率对应的质量损失略高。这表明高SOC条件下电池内部可参与热分解与燃烧的活性物质量更多,热失控过程中电解液、极片活性物质以及隔膜等组分发生剧烈分解和喷射,导致明显的质量损失;外部加热功率的增大则加快了热量输入和反应速率,使物质损失略有增加。

P_max的变化与M_loss总体呈高度一致的趋势。不同加热功率下P_max随SOC水平提升的变化如图5所示。在100 W加热下,随SOC从0%升至100%时由10.8 kPa提高到50.6 kPa,增幅达到约4.7倍;150 W和200 W条件下,100% SOC电池的P_max分别进一步增至53.5 kPa和57.2 kPa。可以看出,在一定范围内,P_max随M_loss和SOC的增加而显著上升,说明燃爆峰值压力主要受热失控过程中可燃气体和析出物的释放量及其燃烧强度控制;加热功率越大,能量释放越集中,压力上升速率越快,在相同SOC下可获得更高的峰值压力。这一结果表明,高SOC、高加热功率工况下电池燃爆冲击更为剧烈,对密闭腔体及电池包结构的强度与密封性提出更高要求。

电池在安全排气阶段主要释放CH₄,而热失控阶段则产生大量H₂、CO和CO₂^[24]。H₂是由黏结剂与Li_xC₆之间以及电解质与阴极之间的反应产生的。在测量的气体中,CO和CO₂占总气体体积的大多数。CO是由Li_xC₆还原的CO₂和不完全燃烧产生的爆炸性有毒气体。CO₂来源于SEI膜的分解、电解液的分解以及TR过程中气体的完全燃烧^[28]。当气体释放到一定浓度时,电池内部压力快速上升并达到结构强度极限,从而诱发电池燃爆。热失控过程中的气体浓度变化如图6所示。

从气体释放特征来看,CO与CO₂浓度随SOC提升显著增加,并与M_loss和P_max呈良好对应关系。以 100 W 为例,CO浓度由0% SOC时的 124.2 μmol/mol 增长到100% SOC时的1 455.1 μmol/mol,约提高12倍;CO₂浓度则由1 335.0 μmol/mol升至 6 357.4 μmol/mol,提高约4.8倍。150 W和200 W条件下,CO与CO₂的绝对浓度进一步升高,在相同SOC下,200 W工况普遍获得最高的CO和CO₂浓度。这说明随着SOC和加热功率的提高,电解液溶剂、有机黏结剂以及SEI膜等有机组分发生更为彻底的分解和燃烧,不仅生成大量CO₂,还伴随更多CO产生,导致密闭舱内可燃和窒息性气体迅速累积。

热失控过程中电池的M_loss、P_max及密闭压力舱内CO与CO₂的气体浓度如表2所示。综合M_loss、P_max及CO、CO₂等参数的变化可见,三者之间具有明显的正相关关系:高SOC条件下电池在热失控过程中经历了更充分的物质分解与燃烧过程,释放出更多气体并形成更高的P_max,而外部加热功率的增大则进一步强化了这一趋势。M_loss、P_max与气体CO、CO₂浓度之间高度协同,反映出电池热失控严重程度与气体生成行为之间密切相关。上述结果表明,在实际应用中应尽量避免电池在高SOC与强热刺激工况下长时间运行,并在电池包结构设计与安全防护上充分考虑燃爆压力和有毒气体释放带来的叠加风险。对重复实验结果进行统计分析表明,M_loss、P_max、CO及CO₂浓度的标准偏差总体处于较小范围内,说明实验结果具有较好的重复性。其中,M_loss的标准偏差为±0.7~±2.3 g,P_max的标准偏差为±0.5~±3.2 kPa,CO浓度的标准偏差为±6.8~±102.3 μmol/mol,CO₂浓度的标准偏差为±63.2~±452.8 μmol/mol。总体上,低SOC工况下各后果参数波动较小,而高SOC尤其是100% SOC工况下部分参数的标准偏差有所增大。这主要是由于高SOC电池在热失控过程中释放能量更集中,喷射、燃烧及局部爆炸行为更剧烈,从而使后果参数表现出更强的瞬态随机性。尽管如此,各后果参数随SOC和加热功率增加而显著升高的总体趋势在重复实验中保持一致,说明本文关于热失控后果严重性变化规律的结论具有较好的统计稳定性。

2.3 基于AHP的热失控危险性评估

为更加全面地量化不同加热功率下各SOC电池的危险性,采用层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)建立综合危险性评价模型。根据热失控的机理过程与实验可测量,安全阀的结构与开启特性会显著影响TR的通风行为与风险^[29]。同时,热失控气体释放的典型组分与危害(CO、CO₂、H₂、烃类及含氟物等)已在多项研究中被系统量化,其中CO/CO₂被广泛用作毒性/燃烧充分度与爆炸风险的指标^[25,30]。从热失控的“敏感性”和“后果严重性”两个方面构建指标体系,以“电池热失控危险性”为目标层,准则层由“敏感性”E和“后果严重性”S两个一级指标组成。热失控危险性评价的AHP分析流程如图7所示。各指标权重经判断矩阵及一致性检验确定后,再对底层指标进行归一化处理,并分别计算敏感性指数(E_i)、后果严重性指数(S_i)及综合危险指数(CHI_i)。在指标层中,敏感性E主要反映电池在外部热激励下进入热失控的难易程度,选取T_TR、Δt和ΔT作为评价指标;后果严重性S用于表征热失控一旦发生后的破坏程度,选取M_loss、P_max、CO及CO₂浓度作为评价指标。

判断矩阵的构造采用1~9比例标度法:1表示两指标同等重要,3、5、7、9依次表示稍、显著、强烈和极强重要;2、4、6、8为中间值,逆比较取倒数。对敏感性层E而言,已有研究普遍将热失控预警/干预时间窗口、触发温度及关键温升特征视为表征电池热失控敏感性的重要参数^[31-33]。其中,预警或干预时间窗口直接决定监测、泄压与应急冷却等措施的可实施性;触发温度反映电池进入热失控的临界条件;而安全阀开启至热失控触发之间的温差可表征由泄压转入失控前的热缓冲裕度。基于上述文献认识,并结合本次实验结果及工程安全意义,将敏感性层指标的重要性排序确定为:Δt>ΔT>T_TR。在后果严重性S层中,已有研究表明锂离子电池热失控会释放大量可燃和有毒气体,并伴随压力急剧升高,可能导致火灾、爆炸及人员暴露危害^[30]。因此,热失控后果的严重程度通常可从爆炸冲击、毒性危害和气体释放规模等方面进行表征。具体而言,P_max直接反映密闭空间内的爆炸冲击强度及结构安全风险;CO兼具毒性与可燃性,对人员安全和二次燃爆均具有重要影响;CO₂主要反映窒息性环境和燃烧产物累积效应;M_loss则从物质分解和喷射程度侧面表征事故规模。基于上述研究认识及本文实验结果,本文将后果严重性等指标的重要性排序确定为:P_max>CO>CO₂>M_loss。对于目标层,本文将热失控敏感性E与后果严重性S作为两类互补风险维度,前者反映电池在外部热刺激下由稳定状态转入热失控的难易程度,后者反映热失控一旦发生后对结构安全、人员暴露和舱内环境的破坏强度。考虑到本次研究目的并非针对特定应用场景进行单侧优化,而是从风险识别角度综合评价不同SOC与加热功率工况下的总体危险性,在缺乏明确先验偏好和法规强制权重要求的条件下,将敏感性和后果严重性视为同等重要。与此同时,本文进一步对顶层权重进行了敏感性分析。具体地,以顶层权重ω_E和ω_S在0.3~0.7范围内进行扰动,并对敏感性层和后果严重性层权重进行相应小范围调整,重新计算各工况的CHI_i,结果表明,高SOC、高加热功率工况始终保持较高危险水平,主要排序未发生实质性变化。

根据上述原则构建判断矩阵后,分别计算其最大特征值λ_max、一致性指标CI和一致性比率CR。一致性指标和一致性比率分别按式(1)和式(2)计算。

(1)CI=$\frac{{\mathit{\lambda }}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-\mathit{n}}{\mathit{n}-1}$

(2)CR=$\frac{\mathrm{C}\mathrm{I}}{\mathrm{R}\mathrm{I}}$

式中:n为判断矩阵的阶数;RI为随机一致性指标,如表3所示。

当CR<0.10时,认为判断矩阵具有可接受的一致性,其特征向量可作为相应指标的权重向量。本文构建的敏感性层判断矩阵、后果严重性层判断矩阵以及顶层判断矩阵分别如表4、表5和表6所示,其对应的CR均小于0.10,满足一致性要求,因此所得权重具有可用性。

为消除不同指标之间的量纲及尺度差异,在危险性评价中采用基于危险方向的一致化归一化方法。对于敏感性层E中的指标T_TR、Δt和ΔT,其数值越小表示电池越易进入热失控状态,故采用逆向归一化。

(3)r_ij^E=$\frac{{\mathit{x}}_{\mathit{j}}^{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-{\mathit{x}}_{\mathit{i}\mathit{j}}}{{\mathit{x}}_{\mathit{j}}^{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-{\mathit{x}}_{\mathit{j}}^{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}$

对于后果严重性层S中的指标M_loss、P_max、CO、CO₂,其数值越大表示热失控后果越严重,故采用正向归一化,即

(4)r_ij^S=$\frac{{\mathit{x}}_{\mathit{i}\mathit{j}}-{\mathit{x}}_{\mathit{j}}^{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}{{\mathit{x}}_{\mathit{j}}^{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-{\mathit{x}}_{\mathit{j}}^{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}$

式(4)中:x_ij为第i个工况下第j个指标的原始值;x_j^max和x_j^min分别为该指标在全部样本中的最大值和最小值。

经处理后,各指标均映射至[0,1],且取值越大表示危险性越高。对于100% SOC工况,由于实验中均直接发生爆炸,无法获得完整的T_TR和ΔT数据。考虑到该工况在热失控敏感性上已处于样本中的最危险状态,故将其缺失的T_TR和ΔT归一化值按1处理,而Δt仍采用实测值归一化结果参与计算。

在得到各底层指标归一化值后,分别根据AHP确定的权重计算不同工况下的E_i和S_i,计算式为

(5)${\mathit{E}}_{\mathit{i}}=\stackrel{3}{\sum _{\mathit{j}=1}}{\mathit{\omega }}_{{\mathit{E}}_{\mathit{i}}}{\mathit{r}}_{\mathit{i}\mathit{j}}^{\mathit{E}}$

(6)${\mathit{S}}_{\mathit{i}}=\stackrel{4}{\sum _{\mathit{j}=1}}{\mathit{\omega }}_{{\mathit{S}}_{\mathit{i}}}{\mathit{r}}_{\mathit{i}\mathit{j}}^{\mathit{S}}$

式中:ω_Ei和ω_Si分别为敏感性层和后果严重性层各指标的权重。

随后,将两类一级指标按顶层权重进行聚合,由式(7)计算得到CHI_i。

(7) CHI_i=ω_EE_i+ω_SS_i

通过上述步骤可计算得到不同工况下电池热失控的E_i、S_i及CHI_i,并按危险性由高到低进行排序,结果如表7所示。由于E_i、S_i和CHI_i为基于平均实验参数计算得到的综合评价结果,因此后续综合评价部分以确定值形式给出,不再单独展开其标准偏差。可以看出,在3种加热功率下,CHI_i均随SOC提高整体呈单调上升趋势:0%SOC工况的CHI接近0,属于本研究范围内的最低危险水平;当SOC提升至100%时,100、150和200 W工况的CHI分别达到0.894、0.947和1.000,均处于高危险区。其中200 W×100%SOC的工况危险性最高,其次为150 W×100%SOC和100 W×100%SOC,表明高SOC配合更强的外部加热功率将显著放大电池热失控的敏感性与后果严重性。

在相同SOC条件下,CHI_i随加热功率增大而增加。例如,在50%SOC时,100、150、200 W工况的CHI分别为0.440、0.547和0.605;在75%SOC时分别增至0.696、0.741和0.800。说明较高加热功率一方面缩短了安全阀开启至热失控之间的时间和温度裕度(E_i升高),另一方面加剧了质量损失、燃爆压力及CO/CO₂生成(S_i升高),最终共同导致综合危险性显著增加。进一步比较E_i与S_i可以发现,高SOC工况下敏感性指数E_i普遍接近1,说明安全裕度极度压缩;同时S_i也处于较高水平,表明一旦失控将伴随强烈燃爆和大量有毒/窒息性气体释放。相反,在低SOC且低加热功率工况下,E_i与S_i均较低,综合危险性相对较小,但对于200 W×0% SOC工况,其E_i已明显高于同SOC下低功率工况,表明即便在低SOC条件下,过大的局部热输入仍可能显著提高热失控风险。

进一步绘制不同加热功率下E_i、S_i和CHI_i随SOC变化的曲线,如图8所示。可以更加直观地看到,3种加热功率下的曲线均随SOC提高而上升且在高SOC区间快速陡升,其中200 W工况在各SOC下电池热失控的敏感性和后果严重性均整体高于150 W和100 W。为增强风险分区的可解释性,依据排序后的CHI分布特征确定风险边界,样本在低风险与中风险之间、中风险与高风险之间分别存在较明显的间断区间。结合表7排序结果及图8中CHI的分布特征,并考虑安全评价宜采用偏保守原则,将CHI≥0.75的工况归为高危险区,主要集中在SOC≥75%且加热功率≥150 W的工况;将 0.40≤CHI<0.75的工况划分为中等危险区,主要对应50%~75% SOC或SOC较高但加热功率较低的工况;CHI<0.40的工况划分为低危险水平,主要包括SOC≤25%且加热功率≤150 W的工况。考虑到AHP赋权过程不可避免带有一定经验性,进一步对敏感性层、后果严重性层及顶层权重进行扰动分析,并比较扰动前后各工况的CHI_i排序变化。当分区边界分别在±0.05范围内扰动时,高风险工况仍主要集中于SOC≥75%且加热功率较高的区域,低风险工况仍主要对应低SOC和低加热功率区域,说明分区结果具有较好的稳定性。该分区结果与前文关于热失控临界条件、质量损失、燃爆压力和气体释放特征的分析结果具有较好一致性,可为不同工况下锂离子电池危险性排序及安全边界划分提供定量依据。

3 结论

针对电池的临界条件、燃爆压力、气体释放特征等热失控参数,构建了AHP综合危险性评价模型,揭示了加热功率与SOC对三元21700锂离子电池热失控的风险评估,得出如下结论。

(1)在100、150、200 W加热功率下,电池表面温度演化及关键温度参数对SOC高度敏感。安全阀开启温度T_v随SOC由0%升至75%显著下降,而对应时间t_v明显缩短;热失控触发温度T_TR及起始时间t_TR均随SOC和加热功率增加而减小。安全阀开启至进入热失控的滞后时间Δt和温度差ΔT随SOC增大明显收缩,表明安全阀开启后的时间与温度裕度不断压缩,高SOC、高功率工况下热失控过程突发性和不可控性显著增强,100% SOC电池在3种加热功率下均发生爆炸。

(2)质量损失M_loss、燃爆峰值压力P_max以及CO、CO₂浓度随SOC整体单调上升,同一SOC下还随加热功率增加而提高。高SOC、高功率工况下电池经历更剧烈的分解和燃烧,释放更多可燃有毒/窒息性气体并形成更高峰值压力,对密闭舱体及电池包结构的强度和密封性构成更为严峻的威胁。

(3)基于层次分析法AHP,从电池热失控的“敏感性”和“后果严重性”两个方面构建综合危险性评价模型。结果表明:3种加热功率下CHI均随SOC单调增加,且在高SOC区间陡升;在相同SOC条件下,CHI随加热功率增加而增大。高危险区主要集中在SOC≥75%且加热功率≥150 W的工况,中等危险区对应50%~75% SOC或SOC较高但加热功率较低的工况,低危险区则主要为SOC≤25%且加热功率≤150 W的工况。

基于单体三元21700电池和特定加热工况,后续可进一步扩展至多节模组及多点热触发场景,并结合数值模拟研究不同通风与布置条件下的热失控蔓延机理,以完善锂离子电池火灾危险性的系统评估体系。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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