控制储能舱中钠离子电池热失控燃料费危害：工程措施的有效性与机理研究

 钠离子电池(SIBs)的热失控(TR)或许引发电化学储能体系(ESSs)中的火灾与爆破。但是目前对储能舱内SIBs热失控的防控办法，特别是针对燃料费与烟气操控的战略，仍缺少充沛认知。为填补这一空白，本研讨经过专用电池舱试验渠道结合数值模仿办法，体系研讨了氧气浓度、进风结构及排烟速度对热失控燃料费行为的影响。试验结果标明：下降氧浓度会改变热开释率、燃料费生成量及焚烧行为，然后下降热损害强度并缩小爆破规模，但同时会促进可燃性气体的积累。相较于同侧布局，对角式进出风口配备经过延长气流路径和提高动量利用率，使烟气抽排功率明显提高——燃料费停留时间削减68%，抽排功率提高2.16倍。此外，当排气流速达到1 m·s⁻¹时，通风体系的模仿数据与试验值误差率低于5%，验证了计算流体动力学模型在猜测受限空间火灾动态中的可靠性。−1， H2单次电池热失控事件后，毒性气体浓度（<500 ppm）与毒性增加指数（<1）仍维持在较低水平，标明具有充沛的安全裕度。根据上述发现，本文提出一种多性向协同的热失控燃料费管控战略，从进程安全角度为钠离子电池储能体系的安全使用供给实践辅导。

图文摘要

近年来，全球能源转型加速推动了储能体系（ESSs）的大规模布置（Akca-Guler等，2025；Wang等，2024）。在新式电池技能中，钠离子电池（SIBs）因其原资料成本低、低温功能可接受及能量功率较高等优势，正日益被视为固定式储能的优选方案（Li等，2025）。但是在实践安装中，电池一般以密布模块形式布置于半关闭舱室内。此类配备引发的安全问题与敞开环境中的状况存在明显差异（Jia等，2025a；Liu等，2023；Zhou等，2025）。

在此类条件下，热失控（TR）事件或许迅速开释很多高温有毒燃料费（Amano et al., 2025; Jia et al., 2024; Qin et al., 2022; Hu et al., 2024）。最初局限于单一电芯的毛病或许因而晋级为体系级损害。热失控进程中发生的燃料费一般含有易燃易爆组分，当其在电池舱内积累并分散时，或许构成部分可燃性环境。若缺少有用操控，燃料费积累或许经过扳机级联TR传播乃至二次爆破，然后加剧事端严峻程度，对体系完整性和人员安全构成严峻威胁（Shan等，2024；Wang等，2024）。从进程安全视角剖析，此类毛病场景需求细致评价。特别需求量化舱室内TR燃料费生成与积累相关的危险等级，清晰这些危险认知将为规划合理的安全屏障供给依据。实践中，此类屏障可包括惰化体系或根据通风的缓解战略，这些办法能将ESSs整体危险下降至可接受水平。

越来越多的研讨重视电池热失控（TR）及其随同燃料费开释的灾害特性与危险影响（Zhang et al., 2025; Chen et al., 2025; Liu et al., 2025; Wu et al., 2026）。在试验研讨中，Yang等（2025）经过施加多种滥用条件，在大容量钠离子电池（SIBs）中触发了扳机效应，并体系剖析了加热功率对开释气体爆破极限动态演变的影响。Cheng等（2025）则构建了包括TR气体要害参数的数据库，涵盖爆破性、毒性和焚烧热等特征指标。在此基础上，他们提出了一种定量安全评价结构，用于评价不同正极资料电池的损害性。Liu等（2022年）使用有用剂量分数（FED）和有用浓度分数（FEC）模型评价了电池火灾中发生气体的毒性。其研讨结果标明，FED与FEC均超越临界值1，标明火灾条件下存在严峻毒性损害。他们进一步估算了下降该危险所需的最小新风置换率。在后续研讨中，Liu等（2023年）选用相同办法评价了敞开与密闭环境中TR气体的毒性。Li等（2025年）还提出了TR损害评价模型，并指出钠离子电池（SIBs）的损害水平介于三元锂离子电池（LIBs）与磷酸铁锂电池之间。

数值模仿技能也被用于研讨热失控相关损害(Peng et al., 2026; Ma et al., 2024; Ding et al., 2025)。Jia等(2024)根据磷酸铁锂单体电池的热失控试验，构建了40英尺储能集装箱模型，其模仿研讨揭示了H2及一氧化碳。结果标明，在通风条件下，这些气体的稳态浓度明显低于非通风工况下的观测值。Hu等人（2025）提出了可重现储能体系结构爆破响应的有限元模型，该模型被用于剖析不同点火方位引发的爆破危险性，并评价集装箱结构的抗爆功能。综合来看，这些研讨为钠离子电池的安全特性及热失控开释燃料费（Gas）的无性向（Gen）评价供给了重要依据。

除损害特性表征外，多项研讨已探究了储能体系(ESS)的安全防护战略。氮气(N2)惰化被广泛视为有用的缓解办法，因其经过下降氧气(O2）在密闭空间的浓度（Cai等，2024）。但是，其在储能设备中的实践使用仍存在局限。这种限制部分源于钠离子电池与锂离子电池在热失控放热量、燃料费开释及焚烧行为方面的差异（Teng等，2025；Yue等，2024）。因而，针对锂离子体系开发的防护方案需经过额外评价，才干直接移植至根据钠离子电池的储能体系。

通风与排烟体系是另一种广泛选用的缓解战略。这些体系经过强制气流排出高温气体与焚烧产品，长期以来被使用于地道、配备室等密闭环境（Tamm and Jaluria, 2017）。其有用性首要取决于气流速度及进风口与排烟口的散布。在电池舱内，强制通风可快速排出热失控时发生的高温烟雾与可燃气体。该进程有助于缓解压力积累，并下降外壳内部火势蔓延的或许性（Zhang et al., 2022; Zhu et al., 2020）。但值得注意的是，钠离子电池热失控烟雾的组分与修建或地道常规火灾存在差异，其常含有很多易燃易爆物质——特别是氢2以及CO（Jia等，2025b；Ping等，2025）。因而，这些气体在通风条件下的分散行为或许遵从不同的主导机制。从前研讨亦标明，进气口与排风口相对方位的布局会明显影响密闭空间内的气流结构，进而改变排烟功率（Lou等，2025）。在其他关闭环境中也报导过类似现象。例如，在地铁车厢中，侧壁开口与端部开口配备下的烟气分散形式存在明显差异，后者一般能供给更高效的排烟效果（Wu et al., 2024）。但是，ESS舱体的几许结构与内部布局与地道或地铁车辆存在实质差异。密布摆放的电池模块周围的气流路径更为杂乱，燃料费流与电池表面之间的耦合传热传质进程也相应变得错综杂乱。

尽管钠离子电池安全性日益遭到重视，但现有研讨仍多集中于较小尺度，如单体电池热失控行为或资料层面反响机制。相对而言，针对半关闭式大规模储能体系舱体内热失控及有害气体开释演化规则的研讨较为匮乏。特别是全尺度条件下钠离子电池体系专用烟气操控办法的有用性与局限性尚未明晰，相关工程实践战略也鲜有探讨。这导致理论安全剖析与实践工程使用间持续存在断层，阻碍了储能体系有用安全规划与危险管理战略的发展。

本研讨经过试验与数值模仿相结合的方法，体系评价了多种损害操控战略的有用性。首先探讨了O2针对钠离子电池热失控进程的研讨聚焦于燃料费生成、热量开释、焚烧行为及生成气体混合物的爆破极限。随后经过对比不同进风布局的排烟功能，说明气流路径与压力散布对通风功率的影响机制。此外，剖析不同通风速率下氢气浓度的演变规则，然后确定符合安全标准的合理气流速度规模。根据上述发现，本研讨提出钠离子电池体系热失控烟气的多办法协同操控战略。

研讨结果供给的定量数据可转化为实践工程参数，包括损害辨认、定量危险评价、安全屏障规划和应急响应规划所需的参数。由此，本研讨旨在强化根据钠离子电池的储能体系安全战略的工程适用性。最终，研讨结果为钠离子电池储能舱的安全规划供给了科学依据，并为其在规模化储能使用中更安全的布置供给了理论支撑。