中国工程院院士陆佳政团队：单双面陶瓷隔膜储能锂电池热失控行为对比|中国工程院|储能|固态电池|电解液|锂电池|锂离子|陆佳政|陶瓷|隔膜

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陆佳政

中国工程院院士

陆佳政（1969），男，中国工程院院士，从事电网防灾减灾、电力储能安全及高电压技术研究，E-mail：ljz1969@163.com。

引文信息

向子谦, 陈宝辉, 陆佳政, 等. 单双面陶瓷隔膜储能锂电池热失控行为对比[J]. 中国电力, 2026, 59(9): 96-108.

XIANG Ziqian, CHEN Baohui, LU Jiazheng, et al. Comparison of thermal runaway behaviors of energy storage lithium-ion batteries with single-sided and double-sided ceramic separators[J]. Electric Power, 2026, 59(9): 96-108.

DOI：10.11930/j.issn.1004-9649. 202604065

网址：

https://www.electricpower.com.cn/article/doi/10.11930/j.issn.1004-9649.202604065

摘要

电池储能装置是配电网安全稳定运行的核心，但其规模化应用安全问题突出。针对单/双面陶瓷涂覆隔膜在大容量磷酸铁锂（lithium iron phosphate，LFP）电芯典型滥用工况下热失控防控效应缺乏系统测试与量化分析的问题开展研究。以280 A·h LFP电池为对象，分别装配单/双面陶瓷涂覆隔膜，系统开展针刺、过热（点火/不点火对照）、过充（点火/不点火对照）3类滥用热失控测试。基于热失控理论，检测电压演化、温升、产气、质量损失和热释放特征，量化对比防控效果。结果表明，双面陶瓷涂覆隔膜电池安全性能显著优于单面隔膜电池。6 mm针刺：热失控时长延长85 s，表面峰值温度降低18 ℃，出现电压降-升的自切断效应。过热：不点火时，热失控时长延长57 s，峰值温度降低73 ℃，可燃气体浓度下降；点火时，时长延长102 s，峰值温度降低104 ℃，热释放速率峰值降低45 kW/s，质量损失速率大幅降低，均出现电压回升。过充：不点火时，时长延长12 s，峰值温度降低19 ℃；点火时，时长延长14 s，峰值温度降低20 ℃，热释放速率峰值降低45 kW/s，过充峰值电压提升24.4 V，至内短路累计充入容量显著减少。双面陶瓷涂覆隔膜能有效抑制电池早期微短路萌生与扩展，可为大容量储能电池安全设计提供实验支撑与理论依据，对保障配电网侧储能系统安全运行具有重要工程价值。

引言

能源短缺已成为当前及未来能源领域亟待解决的核心问题。在“双碳”目标引领下，以新能源为主体的新型电力系统加速建设，分布式新能源大规模接入配电网，对电网柔性调节能力与供电可靠性提出了更高要求。电池储能装置作为支撑配电网安全稳定运行的关键装备，凭借响应速度快、配置灵活、能量双向调控的核心优势，已成为平抑新能源波动、提升配电网电能质量的关键支撑技术。磷酸铁锂（lithium iron phosphate，LFP）电池因循环寿命长、成本可控、安全性优于三元材料体系，已成为当前配电网侧大容量锂电池储能电站的主流选型，其中大容量方形电芯凭借更高的系统集成效率、更低的成组成本，在配电网分布式储能、台区储能场景中实现了规模化应用。

然而，大容量 LFP 储能电池部署密集，运行工况复杂，热失控安全风险突出，已成为制约配电网储能规模化推广的关键瓶颈。近年来，国内外发生电化学储能电站火灾、爆炸事故100余起。针刺、过热与过充是3类典型的滥用场景，可触发电池热失控；它们分别对应严重内部短路、外部热源加热以及过充故障3种主要的电池热失控诱因。相较于小容量电芯，大容量储能电芯单体能量更高、产热更集中，一旦发生热失控，其热量释放更剧烈、蔓延速度更快，极易引发电池簇乃至整个储能舱的连锁燃爆，造成严重的经济损失与配电网供电中断事故。因此，提升大容量LFP电池的安全性能已成为配电网储能领域亟待解决的核心工程问题。

在锂离子电池结构中，隔膜是分隔正负极、防止物理接触内短路的核心部件，同时承担着锂离子传输通道的功能，其热尺寸稳定性、抗穿刺能力、界面相容性直接决定了电池在滥用场景下的安全边界，是防控电池早期内短路、延缓热失控触发的第一道核心防线。为提升隔膜的安全性能，陶瓷涂覆改性技术已实现产业化应用，通过在聚烯烃基体表面涂覆高硬度、高耐温的陶瓷涂层，可显著改善隔膜的高温抗收缩能力与抗穿刺性能。出于经济性考虑，目前行业应用以单面陶瓷涂覆隔膜为主，但单侧涂层难以实现双向阻隔。双面陶瓷涂覆隔膜通过在聚烯烃基体两侧均构建刚性陶瓷防护层，理论上可进一步提升隔膜的热稳定性与抗内短路能力，但目前仅开展了小容量电芯部分工况的安全性能测试。现有文献普遍存在研究对象容量偏小、测试工况单一、多参数量化对比缺失、防护机理剖析不足等问题，尚未针对 280 A·h 级大容量 LFP 储能电池开展针刺、过热（点火/不点火）、过充（点火/不点火）全场景对照试验，也未从电压演化、温升特性、产气行为、质量损失及热释放特征等维度系统分析单/双面陶瓷隔膜的热失控防控差异与微短路抑制机制。

基于此，本文严格控制正极、负极、电解液及制备工艺，仅以隔膜类型为唯一变量，选取 280 A·h 大容量 LFP 电池为研究对象，系统开展3类典型滥用工况下的热失控测试。通过多维度对比分析单面与双面陶瓷涂覆隔膜电池的电热、产气、热释放及劣化行为，量化评估隔膜结构对电池安全边界的提升效果，揭示双面陶瓷隔膜抑制早期微短路萌生与扩展的内在机理。相较已有研究，本文的增量贡献在于：建立大容量储能电池多工况、含点火对照的热失控试验体系，更贴合电网储能实际复杂工况；实现温度、电压、产气、质量损失、热释放速率量化表征，补齐大容量电池隔膜安全性能数据库空白；阐明不同滥用场景下双面陶瓷隔膜差异化防护机制，可为大容量储能电池安全设计、隔膜选型及储能系统热失控防控提供可靠实验支撑与理论依据。

实验设计

1.1 电池测试样品

本研究采用的2种280 A·h磷酸铁锂电池，除隔膜类型不同外，所用正极、负极、电解液等关键材料均来自同一批次，且在制备过程中严格控制工艺参数，从而确保隔膜是2组电池之间的唯一变量。将采用单面涂敷陶瓷隔膜的电池定义为普通电池，结构组成为1 mm聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）+9 mm聚乙烯（polyethylene，PE）+2 mm氧化铝+1 mm PVDF。将采用双面涂敷陶瓷隔膜的电池定义为安全电池，结构组成为1 mm PVDF+2 mm氧化铝+9 mm PE+2 mm氧化铝+1 mm PVDF。2种隔膜的物化性质如表1所示。

表1 2种隔膜的物化性质

Table 1. Physicochemical properties of two types of separators

实验前将电池统一先以140 A恒流放电至2.5 V（0%荷电状态（state of charge，SOC）），随后先以140 A恒流充电至3.65 V，再恒压充电到电流小于14 A停止，以保证电池SOC达到100%。

1.2 实验装置设置

1.2.1 针刺实验

实验在锥形量热仪下开展，传感器布置方案如图1所示，采用T1—T10共10个温度探头。温度探头贴紧电池表面，使用铁氟龙胶带固定处理。采用6 mm、针尖圆锥角度45°钨钢针进行测试，实验过程中使用夹具固定电池。试验开始后，控制针刺机以25 mm/s针刺速度刺穿电池，并使用拓普瑞温度测试仪采集整个过程中温度和电压数据。

Figure 1. Thermocouple attachment locations and setup physical photograph for puncture test

1.2.2 过热和过充实验

实验整体布置如图2所示。实验设备由3个部分组成：气体、温度、图像采集装置，标准燃烧室（3.6 m × 2.4 m × 2.4 m），热失控（thermal runaway，TR）触发装置。试验采用过热和过充2种方式触发磷酸铁锂电池热失控。其中，加热板尺寸为140 mm×150 mm×2 mm，额定功率为950 W；充电机充电范围为100 V/400 A。为避免热失控过程中LFP热量损失和膨胀变形，LFP两侧和底端安装了隔热板并用夹具固定。电子秤（精度1 g）记录试验过程中LFP质量变化，相机拍摄TR过程。风机抽取LFP热失控过程中的烟气，流速恒定为1000 L/s。热释放测试仪和气体分析仪在稳流段抽取烟气分析，抽气量恒定为1 L/min。热释放测试仪通过氧耗法测量LFP燃烧过程中热释放速率（heat release rate，HRR）和热释放总量（total heat release，THR）的变化。

Figure 2. Schematic of thermocouple positions for overheating and overcharge test and overall experimental layout

加热板加热电池大面触发电池热失控，加热截止条件（热失控开始的判定条件）为电池加热面的背面中心温度温升速率连续3 s达到1 ℃/s，此时停止加热并继续记录温度和电压数据；过充热失控实验用充放电机对电池持续施加1 C电流（280 A）直至电池发生内短路，全程记录温度和电压数据。在加热热失控和过充热失控实验中均设置点火与不点火2组实验工况，区别为在电池加热/过充至开阀后是否点火引燃，其他实验条件完全一致。

结果与讨论

2.1 针刺实验热失控行为分析

普通电池与安全电池在针刺实验中随时间增加的热失控行为演变过程及演变过程中电压与表面温度变化规律如图3所示。由图3可知，这2种电池在针刺条件下均经历以下4个热失控的典型阶段：Ⅰ）热失控初期阶段；Ⅱ）热失控孕育阶段；Ⅲ）热失控阶段；Ⅳ）热失控衰退阶段。不同电池表面热电偶温度监测具有不同程度的滞后性，因此选用电池电压数值斜率变化结合热失控实验过程中产气速率变化作为热失控各个阶段的划分依据。

Figure 3. Analysis of puncture-induced thermal runaway process for two types of batteries

第Ⅰ阶段为热失控初期阶段，对应图3 a)和 b)中的绿色区域，即针刺开始至电池顶部安全阀开启。此阶段电池两侧和顶盖由于内部有机溶剂受热气化导致内压增大，最终因气压达到临界值，顶部安全阀被冲开，发生初始喷射。在此过程中，电池电压发生微小降落至A点，温度缓慢上升。这是因为钨钢针刺穿电池的瞬间，产生的巨大短路电流导致阴极的锂离子发生锂化反应被迅速消耗殆尽，造成电池电压降落至A点。此阶段普通电池用时11 s，而安全电池用时为27 s，较普通电池有所延长。

第Ⅱ阶段为热失控孕育阶段，对应图3 a)和 b)中的橙色区域。此阶段内电池外观没有明显变化，但电池电压由A降落至B，速度受制于电池内部的离子传输速度而显著减缓。在电压降落的同时电池内部热量不断积累，导致温度持续快速上升。此阶段普通电池用时4 s，而安全电池用时为10 s。

第Ⅲ阶段为热失控阶段，对应图3 a)和 b)中的蓝色区域。在此阶段电池安全阀开始迅速喷射白烟，电池内部气体由于巨大压力以极快速度逸出，导致与安全阀口发生剧烈摩擦，摩擦发出尖锐的蜂鸣声。此阶段电压由B急剧下降直至接近0 V的C点，电池表面最高温度飙升至200 ℃以上。这是因为在内部热量不断积累下，当内部温度达到隔膜熔点，电池正负极发生大面积短路从而引发热失控链式反应。在内部温度达到陶瓷熔点后，隔膜结构完全崩塌，电池电压最终降至0 V。此阶段普通电池用时158 s，表面最高温度达到288 ℃。而安全电池此阶段用时243 s，较普通电池延长85 s；表面最高温度为270 ℃，较普通电池降低18 ℃。

第Ⅳ阶段为热失控衰退阶段，即C点之后，电池热失控链式反应完全结束，电化学活性完全失活，电池表面温度达到最高后逐渐降低。

由针刺热失控各阶段现场照片及温度/电压性能分析可见，在针刺热失控实验过程中，安全电池由于其双层陶瓷隔膜出色的热稳定性与机械稳定性，电池电压出现显著的下降-回升现象，热失控各阶段进程及其热失控剧烈程度较普通电池均有不同程度的延缓与减弱。

2.2 过热实验热失控行为分析

2.2.1 过热不点火实验热失控行为分析

普通电池与安全电池在过热实验中随时间增加的热失控行为演变过程、演变过程中电压与表面温度变化规律及可燃气体产气规律如图4所示。H2在自热阶段即由固体电解质界面（solid electrolyte interphase，SEI）膜分解与负极–电解液还原反应开始生成，并在主放热阶段大量产生；CO在自热阶段微量生成，于主放热阶段经正极释氧引发的不完全氧化与电解液高温还原反应大量形成；CH4仅在主放热阶段，由电解液深度裂解及正负极剧烈氧化还原反应大量生成。

Figure 4. Analysis of overheating-induced thermal runaway process for two types of batteries (no ignition)

与针刺实验相似，可同样将电池热失控过程分为以下4个阶段：

第Ⅰ阶段为热失控初期阶段，对应图4 a)和b)中的绿色区域。电池内部热量不断积累，温度不断上升，在此阶段可能发生电解液中有机溶剂的汽化，使得电池内部压力逐渐增大直至达到临界值开阀。此阶段普通电池与安全电池用时没有显著差异。

第Ⅱ阶段为热失控孕育阶段，对应图4 a)和b)中的橙色区域。电池自A点开阀后，电池内部已产生的气体在高压下伴随电解液发生初始喷射，随后由于温度持续升高，依次发生SEI膜分解、负极–电解液反应并产生还原性气体等一系列反应，H2、CH4和CO的浓度自此开始被监测到。同时由于SEI分解，负极活性锂被消耗、界面阻抗变化导致电压开始微降。

第Ⅲ阶段为热失控阶段，对应图4 a)和b)中的蓝色区域。从B点开始，由于隔膜开始逐渐熔化，普通电池正负极发生大面积短路。得益于安全电池双层陶瓷结构对隔膜整体热稳定性的提升，此阶段开始时间显著延迟，峰值温度降低73 ℃，直接抑制了电解液深度裂解与电极副反应的反应速率，是产气总量下降的核心原因。此时在2个电池中H2的产生量都达到峰值，且安全电池的H2浓度显著低于普通电池。安全电池所产生的3种气体中H2占比显著低于普通电池，这代表安全电池燃爆风险更低。与针刺实验热失控过程相似，在此阶段内可以观察到双层陶瓷隔膜电池的电压有显著的回升现象。这是因为双层陶瓷结构极大地延缓了整体热扩散，使得热量更容易在局部初始反应点聚集，从而更容易通过高温烧毁局部材料使短路结构被破坏从而引起电压回升。最终在极高温度下，隔膜结构完全崩塌，电池发生大面积短路，电压降至0。此阶段普通电池用时356 s，电池表面最高温度为474 ℃，可燃气体H2、CH4和CO浓度分别为396、81和52 μL/L。安全电池用时413 s，较普通电池延长57 s，表面最大温度401 ℃，较普通电池降低73 ℃，可燃气体浓度分别为233、69以及56 μL/L，较普通电池显著降低。

第Ⅳ阶段为热失控衰减阶段，2种电池表面温度达最大后开始衰减。

2.2.2 过热点火实验热失控行为分析

为明确气相燃烧对电池热失控行为的影响，本实验在加热触发电池安全阀开启后，采用远距离点火器引燃喷射气相，全程记录电池温度、电压、质量损失及热释放速率（见图5），按热失控4个阶段重点分析与未点火工况的差异化特征，去除二者一致的共性行为描述。

Figure 5. Analysis of overheating-induced thermal runaway process for two types of batteries (ignition)

第 Ⅰ 阶段：热失控初期阶段，本阶段为加热起始至安全阀开启。与未点火工况行为完全一致，电池内部热量持续累积、电解液受热汽化，内压升高至临界值后安全阀开启。此阶段点火操作尚未执行，电池电、热行为与未点火工况无显著差异。

第 Ⅱ 阶段：热失控孕育阶段，本阶段为安全阀开启、气相点火引燃，至隔膜开始熔化前。与未点火工况的核心差异为：开阀后喷射的可燃气相被引燃形成持续扩散火焰，火焰高温辐射与热反馈加速电池内部温升，SEI 分解、负极 - 电解液反应等副反应速率显著加快，电压下降速率较未点火工况明显提升；可燃气体持续被燃烧消耗，气相组分浓度变化规律与未点火工况存在显著区别。

第 Ⅲ 阶段：热失控阶段，本阶段为隔膜熔化、正负极大面积内短路，至电压跌落至接近 0 V，对应图5 a)、b)中B至C点。此阶段安全电池用时331 s，较普通电池229 s延长102 s。双面陶瓷隔膜通过降低峰值温度，同步抑制燃烧反馈与内部产气反应，产气总量与质量损失速率均大幅降低。由于电池热失控过程产气浓度差异，安全电池燃烧峰值温度为 448 ℃，较普通电池的552 ℃降低104 ℃；安全电池的质量损失率最大值为–5.1 mg/s，远低于普通电池的–27.8 mg/s；安全电池的热释放速率峰值为76 kW/s，比普通电池的121 kW/s降低45 kW/s，总热释放大幅降低。

第 Ⅳ 阶段：热失控衰退阶段，本阶段为电压稳定至 0 V、热失控链式反应终止，至参数趋于平稳。与未点火工况的核心差异为：受外部燃烧额外热量影响，电池高温持续时间更长，温度下降速率更慢；总质量损失随火焰熄灭趋于平缓，且显著高于未点火工况；安全电池高温持续时间、总质量损失、总热释放均显著优于普通电池。

由过热热失控（点火与不点火）各阶段现场照片及温度/电压性能分析可见，在过热热失控实验过程中，安全电池电压出现与针刺实验中相似的下降-回升现象，且其热失控各阶段进程及其热失控剧烈程度较普通电池同样呈现不同程度的延缓与减弱。

2.3 过充实验热失控行为分析

2.3.1 过充未点火实验热失控行为分析

普通电池与安全电池在过充条件下热失控行为演变过程、电压与表面温度变化规律及可燃气体产气规律如图6所示，其中产气主要监测H2、CH4、CO 3种关键可燃气体。依据过充热失控演化特征，可将过程划分为4个典型阶段。

Figure 6. Analysis of overcharge-induced thermal runaway process for two types of batteries (no-ignition)

第 Ⅰ 阶段：过充初期阶段（绿色区域），电池在 1 C（280 A）恒流持续充电作用下，电压由初始值缓慢上升至 A 点；随后，由于负极锂析出与正极锂离子耗尽之间的动力学平衡，电压进入一段相对稳定的平台区间。此阶段电池外观无明显变化，内部以电化学极化与锂离子嵌脱失衡为主，温度缓慢上升，尚未发生明显副反应与气体释放。

第 Ⅱ 阶段：热失控孕育阶段（蓝色区域），电压自平台段的B 点出现爬坡拐点，进入持续上升阶段，并在C 点达到电压爬坡峰值。该阶段负极锂析出持续加剧，SEI 膜不断分解与再生，负极与电解液发生还原反应并生成还原性气体，同时热量逐步累积，电解液汽化加剧，内压持续升高，最终触发安全阀开启并出现初始喷射。在此阶段内，安全电池的最高爬坡电压达到56.2 V，比普通电池的31.8 V高24.4 V。

第 Ⅲ 阶段：热失控阶段（橙色区域），热失控全面爆发，电压自 C 点峰值急剧跌落至接近 0 V，2种电池均无电压回升现象。其原因在于过充全程持续大电流电化学激励，副反应强度远高于针刺与过热工况，即使局部短路处的集流体熔断，持续极化与高温仍会快速引发隔膜整体失效，无法形成有效短路自切断效应。双面陶瓷隔膜抑制早期微短路，降低内部局部温升，显著减弱析锂与电解液还原反应强度。H2峰值浓度减少 15 μL/L，CO 峰值浓度因不完全氧化反应受抑减少 24 μL/L，CH4峰值浓度同步小幅下降。气体组分中高燃爆性 H2占比降低，整体燃爆风险下降。相较于过热热失控，过充引发内部副反应全面爆发，SEI 膜分解、电解液高温裂解、正负极氧化还原等反应均以更高强度进行，最终导致总产气量显著增加，最高可达 100% SOC状态的1.9倍。在此阶段，安全电池用时108 s，较普通电池的96 s延长12 s；最大温度429 ℃，比普通电池的448 ℃降低19 ℃；可燃气体H2、CH4和CO峰值浓度分别为277、67和41 μL/L，比普通电池的292、73和65 μL/L分别降低15、6和24 μL/L。

第 Ⅳ 阶段：热失控衰退阶段（电池电压降至0后），隔膜完全崩塌，电池发生彻底内短路，电化学活性完全失活，电压稳定在 0 V。电池表面温度达到峰值后逐步降低，产气速率下降直至停止，喷射现象逐渐消退。

由过充热失控（不点火）各阶段现场照片及温度/电压性能分析可见，在过充热失控实验过程中，安全电池电压未出现与针刺实验中相似的下降-回升现象，且其热失控各阶段进程及其热失控剧烈程度较普通电池同样呈现不同程度的延缓与减弱。

2.3.2 过充点火实验热失控行为分析

本节采用 1 C（280 A）恒流充电触发电池安全阀开启，开阀后引燃喷射气相，对比分析普通单面陶瓷隔膜电池与安全双面陶瓷隔膜电池的热失控行为（见图7），重点解析电压峰值差异与质量损失特征的形成机理，厘清其与过热点火工况的本质差异。

Figure 7. Analysis of overcharge-induced thermal runaway process for two types of batteries (ignition)

第 Ⅰ 阶段：过充初期阶段（绿色区域），电池电压由满电初始值升至 A 点，受阳极锂析出与正极锂离子耗尽的动力学平衡控制进入电压平台期。核心特征为质量先缓慢上升、后回落至初始值，为过充工况特有，过热点火工况未出现。

该现象源于不可逆电化学产气与密封壳体微泄漏的动态平衡：过充持续生成 H2、CO 等不可冷凝永久性气体，内压缓慢升高导致质量上升；当内压超过密封泄漏阈值后，微量气体泄漏，产气与泄漏达到平衡，质量回落至初始值。而过热仅产生可冷凝的电解液蒸气，蒸气可冷凝回流，无永久性气体累积，开阀前质量基本稳定。

第 Ⅱ 阶段：热失控孕育阶段（蓝色区域），电压自平台期 B 点出现爬坡拐点，至 C 点达到电压峰值后回落，最终安全阀开启发生初始喷射。核心差异与不点火工况相似，安全电池 C 点峰值电压（48.2 V）显著高于普通电池（32.4 V）。

第 Ⅲ 阶段：热失控阶段（橙色区域），点火后气相燃烧形成持续火焰，高温反馈加速内部副反应，造成热失控更快全面爆发，电压自 C 点峰值急剧跌落至接近 0 V。燃烧热反馈叠加过充电化学产热，双面陶瓷隔膜通过阻隔微短路扩展，将峰值温度降低 20 ℃，电解液裂解产气反应速率下降，质量损失速率与热释放速率同步降低，无新增产气反应类型。此阶段安全电池用时98 s，较普通电池用时84 s延长14 s；由于电池热失控过程产气浓度差异，安全电池燃烧峰值温度为 541 ℃，较普通电池的561 ℃降低20 ℃；质量损失率安全电池的最大值为–42.1 mg/s，低于普通电池的–48.8 mg/s；安全电池的热释放速率峰值为76 kW/s，比普通电池的121 kW/s降低45 kW/s，总热释放大幅降低。

第 Ⅳ 阶段：热失控衰退阶段，电池电化学活性完全失活，电压稳定至 0 V，温度达峰后逐步下降，质量损失趋于平缓。

由过充热失控（点火）各阶段现场照片及温度/电压性能分析可见，由于过充热失控更加剧烈的内部反应程度，导致安全电池电压未出现与针刺和过热实验中相似的下降-回升现象。但安全电池的热失控各阶段进程及其热失控剧烈程度较普通电池同样呈现不同程度上的延缓与减弱。

在过充热失控实验的热失控孕育阶段，点火与不点火工况下均能观察到安全电池的爬坡电压显著高于普通电池。这可能是因为普通单面陶瓷隔膜仅单侧具备陶瓷防护层，另一侧基体直接暴露，锂枝晶极易沿薄弱方向穿刺隔膜，形成早期微短路通道。而安全电池的双层陶瓷隔膜的结构更稳定，更不易形成微短路，减少了漏电电流造成的极化损耗。同时单面涂层耐高温性有限，局部温升即可引发隔膜轻微收缩，进一步扩大短路间隙，使内短路快速蔓延。安全电池采用双面陶瓷涂覆隔膜，两侧均具备高硬度、高耐温、高绝缘的陶瓷阻挡层，可有效限制内短路的萌生与扩展。

为进一步验证上述机理，本研究统计了2种电池从 100% SOC 满电状态、1 C 恒流过充至完全内短路的累计充入容量，结果如图8所示，双面陶瓷隔膜安全电池的累计充入容量显著小于单面陶瓷隔膜普通电池。该结果与过充峰值电压差异揭示了以下机理：双面陶瓷隔膜可均匀化离子传输、抑制过充早期局部微短路与漏电电流，使电池极化增长更平缓、过充峰值电压更高，且在达到隔膜耐受阈值后快速触发完全内短路终止过充，因此累计充入容量更小；而单面陶瓷隔膜早期即形成大量局部微短路，电池在低电压、高极化状态下持续过充，峰值电压偏低但累计充入容量更高。绝大部分充电电量被微短路漏电消耗，用于副反应产热、产气与锂枝晶无序生长，形成了长周期、无征兆、高风险的隐蔽累积期。这一阶段的持续拉长，不仅使电池累计充入容量更高，更导致内部热失控前置反应完全失控，一旦安全阀开启，隔膜已接近整体失效，正负极大面积内短路瞬间触发，造成热失控爆发后的峰值温度、产气量、燃爆强度均更高。该结果进一步证实双面陶瓷隔膜对于电池在热失控孕育阶段微短路的形成与扩展所起到抑制作用。微短路抑制效应直接降低局部产热，从反应源头减少析锂、电解液裂解等产气副反应的发生，是产气总量下降、组分优化的原因。

Figure 8. Comparison of charging capacity to internal short circuit between conventional batteries and safety-enhanced batteries under two operating conditions

2.4 热失控参数对比

综上，对不同工况下2种电池的热失控主要参数进行总结对比（见表2）。

表2 不同工况下2种电池主要参数对比

Table 2. Comparison of main parameters of two types of batteries under different operating conditions

结论

本文针对大容量磷酸铁锂储能电池的热失控安全问题，以隔膜类型为唯一变量，系统开展了针刺、过热（含点火/不点火对照）、过充（含点火/不点火对照）3类典型滥用工况下的热失控对比测试，全面量化了单/双面陶瓷涂覆隔膜280 A·h电池的电热演化、产气规律与热释放行为差异，揭示了双面陶瓷涂覆隔膜对大容量磷酸铁锂电池的热失控防控效应。研究证实，双面陶瓷涂覆隔膜可全方位提升大容量磷酸铁锂电池的安全边界，在全测试工况下能有效延缓热失控进程、降低热失控剧烈程度与燃爆风险，为大容量储能电池的安全设计与热失控防控技术优化提供了系统的实验支撑与理论依据。主要结论如下。

1）双面陶瓷涂覆隔膜电池在3类典型滥用工况下均展现出显著优于单面陶瓷隔膜电池的安全性能，全场景热失控进程得到有效延缓，热失控剧烈程度大幅降低。针刺滥用场景下，电池热失控阶段时长较单面陶瓷隔膜电池延长85 s，表面峰值温度降低18 ℃。过热滥用场景下，不点火工况热失控阶段时长延长57 s，峰值温度降低73 ℃，H2峰值浓度降低163 μL/L；点火工况热失控阶段时长延长102 s，峰值温度降低104 ℃，热释放速率峰值降低45 kW/s，质量损失速率峰值由27.8 mg/s 降至5.1 mg/s。过充滥用场景下，不点火工况热失控阶段时长延长12 s，峰值温度降低19 ℃，氢气峰值浓度降低15 μL/L；点火工况热失控阶段时长延长14 s，峰值温度降低20 ℃，热释放速率峰值降低45 kW/s，质量损失速率峰值降低6.7 mg/s，全方位降低了电池热失控后的燃爆风险。

2）双面陶瓷涂覆隔膜在不同滥用工况下呈现差异化的热失控防控机制，其核心作用在于抑制电池早期微短路的萌生与扩展，通过降低内部峰值温度、抑制副反应速率，从源头减少产气总量，同时优化产气组分比例，降低高燃爆性H2占比。针刺、过热工况下，双面陶瓷隔膜的双刚性陶瓷防护层显著提升了隔膜的热稳定性与机械稳定性，延缓了电池整体热扩散进程，可促成局部短路点的高温熔断，形成明显的电压下降 - 回升的短路自切断效应，有效阻断了内短路的快速蔓延；过充工况下，电池虽然因持续大电流电化学激励未出现电压回升现象，但展现出显著更优的抗过充性能，不点火工况过充峰值电压较单面电池提升24.4 V，点火工况提升15.8 V，且过充至完全内短路的累计充入容量显著更低，验证了双面陶瓷隔膜可有效抑制过充早期局部微短路与漏电电流，由此规避单面陶瓷隔膜电池低电压下持续过充的隐蔽性安全风险。

后续可结合不同容量电芯、实际储能模组开展试验，进一步探究双面陶瓷隔膜在模组级热失控蔓延中的阻隔效果，同时结合材料改性优化隔膜综合性能，推动其在储能电站中规模化落地应用。

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