热失控与热扩散机理详解：单颗电芯如何引燃相邻电芯，以及隔热层如何阻断扩散

单颗电芯热失控是如何启动的

当锂离子电芯内部化学反应产生的热量超过其散热能力，且温升进一步加速内部反应时，电芯即进入热失控状态。根据 Feng et al. (2018) 总结，其典型演化序列如下：

1. 较低温度下的 SEI 膜分解（大致在 80–120 °C 区间）。负极表面的钝化膜破裂，负极活性物质开始与电解液发生反应。
2. 隔膜熔化与收缩。聚乙烯（PE）隔膜在约 130 °C 时软化，聚丙烯（PP）隔膜的软化温度则更高。隔膜失效后，电芯内部会形成大面积内短路。
3. 正极分解与释氧。NMC 等层状氧化物正极在高温下释放活性氧，并与电解液及负极发生剧烈反应。这一阶段是驱动温度急剧攀升的主因。
4. 泄压排气。内部压力不断积聚，最终冲破防爆阀，排出高温、可燃且有毒的混合气体。典型成分包括氢气、一氧化碳、二氧化碳及烃类气体。泄压气流通常还夹带着燃烧的电解液和高温固体颗粒。

常见的触发因素包括过充、由制造缺陷或锂枝晶引起的内短路、机械滥用损伤以及外部加热。

电芯间热扩散的三条传递路径

传递路径	作用机理	阻断措施
热传导	热量通过与隔热垫接触的电芯大面，以及汇流排、液冷板和模组框架进行传导	采用高温下厚度方向导热系数极低的材料；在汇流排和液冷板设计中引入热阻断结构
高温排气与火焰	高温气体与燃烧的电解液流经相邻电芯表面，并可能在电池包内部引发点火	设计定向泄压通道、耐火上盖，以及在电芯与模组之间建立气密隔离结构
颗粒喷射	高温导电颗粒高速冲击邻近表面，侵蚀薄型隔热层并可能引发电弧	选用高机械强度与耐冲刷侵蚀的隔热层；采用云母板或陶瓷表面覆层

在实际工程中，如果仅针对热传导进行设计，在热扩散试验中往往会因高温排气和颗粒冲刷而导致防护失效。

电芯间隔热垫的四项核心功能

1. 高温隔热性能。决定防护成败的是材料在数百 °C 高温下的导热系数，而非材料规格书首页标称的常温导热系数。合格的隔热层必须在规定的观察时间内，使其背火面温度始终低于相邻电芯的热失控起始温度。
2. 机械顺应性。电芯在循环充放电和老化过程中会发生膨胀。布置在方形硬壳电芯或软包电芯之间的隔热垫，必须在全生命周期内吸收此类膨胀压缩变形，且不发生永久性的厚度损失或隔热性能衰减。
3. 电气绝缘性能。在高压电池包中，隔热垫通常还需在电芯之间提供可靠的介电绝缘，包括在经历火焰烧蚀后仍保持必要的介电强度。
4. 耐火与抗冲刷性能。隔热层自身在遭受火焰与高速颗粒流冲击时，不得发生燃烧、熔穿或粉化坍塌。

没有任何单一材料能够同时在以上四个方面均达到最优，因此主流商用隔热垫大多采用多层复合结构，例如以气凝胶为芯材、外覆云母或陶瓷纤维表面层。典型材料参数可参见材料性能数据页。

标准法规的核心要求

现行主流安全标准已不再仅考察单颗电芯的失效安全性，而是普遍要求开展热扩散试验：人为触发单颗电芯进入热失控状态，观测整个模组、电池包或系统的响应情况。典型标准包括针对电动汽车动力蓄电池的中国强制性国家标准 GB 38031-2025 以及针对储能系统的 UL 9540A。不同标准对触发方式、观察时长及判定准则的具体规定存在差异，详情请参阅各标准专题页面。

参考文献

1. Feng X. et al., "Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles: A review", Energy Storage Materials 10 (2018) 246–267. doi:10.1016/j.ensm.2017.05.013
2. Wang Q. et al., "Thermal runaway caused fire and explosion of lithium ion battery", Journal of Power Sources 208 (2012) 210–224. doi:10.1016/j.jpowsour.2012.02.038

常见问题

热失控与热扩散有什么区别？

热失控是指单颗电芯发生自发热失效的过程；热扩散则是指该失效进一步蔓延至相邻电芯、模组或电池簇的过程。隔热层无法阻止单颗电芯发生热失控，其作用是阻断热扩散。

隔热层能否阻止电芯进入热失控状态？

不能。隔热层的作用是延缓热量向相邻电芯传递，使相邻电芯的温度维持在其热失控起始温度以下。发生故障的电芯本身仍会正常泄压并升温。

为什么 LFP 电芯与 NMC 电芯需要不同的隔热层设计？

NMC 等高镍电芯在热失控时通常达到更高的峰值温度，且释热速率快于 LFP 电芯，因此要求隔热层具备更低的高温导热系数以及更优异的耐火焰和耐颗粒喷射冲刷性能。LFP 电芯则会释放大量可燃气体，因此在阻隔热量的同时，排气管理同样关键。