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使用HFE-7200冷却剂的锂离子Discover蓄电池浸没式冷却技术实验研究

摘要

浸没式液冷是锂离子电池的热失控保护策略；然而，浸没深度对电池热失控的调控机制尚不明确。本研究选取容量为2000、2600和3200 mAh的18650型三元锂离子电池作为研究对象，采用HFE-7200介电氟化液作为冷却介质。利用自建的浸没电池热失控测试平台，研究了浸没深度对热失控特征参数的影响。温度变化、热失控质量损失以及包括CO、NO在内的有毒气体的动力学规律2, NH3，并讨论了HF。结果表明，浸没深度对热失控具有非线性调节作用。1–2 cm的浅浸没可冷却电池下部，延长热失控潜伏期，并可能加剧热失控；而3–4 cm的深浸没则能有效抑制热失控。当热失控被有效抑制时，系统最高温度为264.3 °C。在不同浸没深度下，2000、2600和3200 mAh电池的平均质量损失率分别为16.2%、18.6%和38.8%。确定了电池热失控期间四种主要有毒燃料费的释放顺序，并比较了它们的峰值浓度。沿电池轴向建立了一个三区传热模型，阐明了完全冷却区、气液耦合过渡区和未浸没失控区的比例变化共同决定了电池的热量产生与传热平衡。本研究可为浸没式液冷电池系统的安全液位标定提供定量实验依据和理论支持。

关键词：

消防; 灭火器; 电池火灾; HFE-7200

1. 引言

目前，18650锂离子电池（LIBs）广泛应用于电动汽车和大型储能电站[1]。然而，它们在各种滥用条件下极易发生热失控，导致频繁的火灾和爆炸事故[2]。氟化液具有优异的绝缘性能[3,4]，从而防止电气短路。当用作电池浸没式冷却系统中的冷却剂时，它们可以在热失控期间将电池与氧气隔绝，防止易燃气体与氧气混合，并限制火势蔓延[2,5]。此外，氟化液的热解会产生能够抑制热失控的活性官能团[1]。因此，迫切需要利用氟化液浸没系统来控制电池热危害，以降低热安全风险[1,2].

为了通过氟化液浸没系统解决锂电池火灾隐患，已开展了大量研究，这些研究主要集中在冷却介质的性能表征[6]、与电池配置的兼容性[7]、系统结构的优化[8]以及对潜在机制的探索[6,9] 氟化绝缘液体作为浸没式冷却工作流体的主要优势在于其卓越的电气绝缘性能。代表性的氟化流体，包括Novec系列（例如，Novec 7000、Novec 7100、Novec 7200）和Opteon SF系列，均表现出极高的体积电阻率和击穿电压，这确保了在与高压电池模块直接接触时能完全避免短路风险，从而从根本上消除了对传统水冷或油冷系统中所需绝缘保护结构的依赖[10,11,12,13]。此外，氟化液体通过清除自由基和中断链式反应，在热失控期间有助于灭火和燃料费抑制[14]。由于这些优异的特性，氟化液体已广泛应用于电池浸没式冷却系统，引发了对其优化和机制的广泛研究。在Li等人[的实验研究中15]，通过比较高放电倍率下自然对流和浸没冷却的温度演变，评估了SF33浸没液对8 Ah锂离子电池的冷却效果。研究结果表明，基于SF33的浸没系统具有出色的温度控制能力，在5C和8C超快放电条件下，分别将电池峰值温度限制在33.25 °C和35 °C。在动态负载条件下，刘等人[3] 对两种冷却策略进行了对比研究，结果表明，HFE-7000浸没式冷却在循环温度变化和电池温度均匀性方面均优于微通道冷板方案。电池浸没式液冷系统中的浸没深度至关重要，直接影响传热均匀性、局部热点缓解以及系统压力降行为 [16,17]。Zuo等人 [18]研究了近全深部分浸没（NFDPI）条件下浸没深度的影响，浸没深度分别为电池高度的98.89%、95.19%和91.48%。结果表明，液位降低导致电池模块的峰值温度和温差均略有上升。Vikram等人[19] 在锂离子电池模块级系统中，实验研究了0%、25%、50%、75%和100%浸没深度对性能的影响。他们得出结论，虽然浸没深度与电池温度呈显著负相关，但50%的浸没深度在热性能和系统重量之间实现了最佳权衡。Li等人[15] 探讨了SF33基液体浸没冷却在20%、60%和100%浸没水平下对锂离子电池的冷却效果。他们的研究结果表明，冷却剂填充水平显著影响电池的峰值温度和温度分布均匀性。作为冷却剂的氟化液体在高温下会发生热解。周等人 [20]报道称，HFE-7200在约400 °C时开始明显分解，在500至700 °C之间热解转化率迅速增加，并在700 °C以上进入深度热解阶段，在800 °C时约2秒内几乎完全分解。主要热解产物为C2, CF4CF=CF3, (CF2C=CF3)2, CF(CF2CF(CF3)2，以及CF3)2OCH3CH2。现有研究大多集中在常规散热性能上。对于不同容量电池在滥用条件下，浸没深度对热失控调节的影响，以及热失控过程中产生的特征气体，仍缺乏系统性的研究[3]。此外，浅浸没条件下的热行为尚未阐明，这与液位不足时的系统安全风险直接相关。21], as well as into the characteristic gases generated during thermal runaway. Moreover, the thermal behavior under shallow immersion conditions has not yet been elucidated, which is directly relevant to system safety risks when the liquid level is insufficient.

在本研究中，选择18650锂离子电池作为研究对象，采用最具代表性的氟化介电液之一HFE-7200作为浸没冷却剂。建立定制的浸没电池热失控测试台，以研究浸没深度对热失控特征参数的影响。该研究系统地考察了热失控过程中的温度演化、质量损失以及有毒气体（包括CO、NO2、NH3，以及HF [22]，并开发了沿电池轴向的三区传热模型。本研究的目标是确定浸没式液冷系统的安全临界液位，阐明冷却液液位、电池产热与传热之间的耦合机制，并为储能和车载浸没式冷却应用中的液位校准和安全边界设计提供基础实验数据和理论支持[23].

2. 材料与方法

2.1. 电池

本研究采用了18650锂离子电池（中国广东惠州亿纬锂能股份有限公司），标称容量分别为2000、2600和3200 mAh [24]。测试前，每块电池均经过三个充放电循环以稳定性能，随后充电至100%荷电状态（SOC）并静置12小时，以确保初始状态的稳定性 [25,26,27]。电池样本的具体参数见表1.

表1.电池规格。

2.2. 氟化浸没式冷却剂样品

本研究中使用的冷却液为HFE-7200（全氟丁基乙醚，(CF3)2CFCF2OCH2CH3，CAS: 163702-06-5，3M公司，美国明尼苏达州圣保罗）[28,29]，分子量为264，沸点为76 °C，密度为1.43 g/cm3，在25 °C时的饱和蒸气压为14.5 kPa，在25 °C时的导热系数为0.0662 W/(m∙K)，蒸发潜热为119 kJ/kg [30]。作为一种氟化醚，HFE-7200具有不导电、不燃和环境友好等特性，具有低全球变暖潜势（GWP = 57）和零臭氧层破坏潜势，同时具有出色的热稳定性、低表面张力以及对电池组件良好的润湿性能 [31,32].

2.3. 配置布局

用于冷却液浸没条件下电池热失控的定制实验装置如图1所示。实验箱为透明亚克力容器，内径为150 mm × 150 mm × 300 mm（长×宽×高），壁厚15 mm，具有绝缘、耐腐蚀和可视化观察的优点[33] 试验箱内部的钢架用于固定电池，通过填充HFE-7200氟化液来实现分级浸没深度。试验箱处于相对密封状态。亚克力箱顶部覆盖有盖子，盖子上钻有小孔，用于穿过热电偶线、加热棒电缆以及FTIR气体分析仪的采样管。小孔用胶带密封，但密封并非100%气密。在热失控过程中，试验箱内部压力急剧上升，部分烟雾仍从缝隙中泄漏。该设计确保了在线燃料费采样，同时尽可能将释放的燃料费限制在试验箱内。未与电池接触的加热棒表面包裹了隔热棉，以防止热量传递到周围介质。随后，加热棒和电池使用耐高温绝缘胶带固定在一起。加热棒连接到温度控制器，温度以5 °C/min的恒定速率升高以诱发热失控，最高加热温度为500 °C，保温时间为90分钟。K型热电偶分别连接到电池的正极、负极和表面。同时，温度探头被放置在正极上方6厘米处的气相区域。所有温度信号均连接到无纸记录仪，以便在整个过程中进行连续的数据采集。一个气密连接器被集成到腔体中，用于与ABB MBGAS-3000傅里叶变换红外光谱仪[34]. 该仪器的测量精度为±0.1%，工作温度范围为180–200 °C，光谱范围覆盖800–5000 cm−1，可对典型燃烧和热解燃料费的浓度进行连续原位监测，包括NH3、NO2、CO、HF和CO2。一台配备辅助灯的GoPro Hero11 Black相机被放置在反应室前，用于全过程记录动态热失控事件[34]。电池预处理和充放电循环使用新威电池测试仪（型号CE-6008n-60V20A-H，中国广东东莞东莞新威新能源科技有限公司）进行，额定精度为±0.05% FS，每通道电流容量为20 A，每通道最大输出功率为1.2 kW。通过在热失控前后使用电子天平称量电池来确定质量损失[34]。该系统可同步记录多维数据，即温度、燃料费物种、质量损失和视频图像。在不同浸没水平下对2000/2600/3200 mAh电池进行了对比测试，同时保持所有其他参数不变，以排除混杂因素。

图1。实验装置示意图。

2.4. 测试条件设计

在正式测试之前，对2600 mAh电池在0–6 cm和完全浸没状态下进行了预实验，以评估热失控行为。结果发现，在5 cm、6 cm和完全浸没时，电池温度在约76 °C（HFE-7200的沸点）处趋于平稳，未发生热失控。因此，正式测试在0、1、2、3和4 cm的浸没深度下进行，分别对应电池高度的0%、15.4%、30.8%、46.2%和61.5%，详见表2.

表2。测试条件。

3. 结果

3.1. 不同浸没深度下电池温升行为

电池热失控最关键的表现是电池本体温度迅速局部升高，导致过热状态。图2展示了三种容量（2000、2600和3200 mAh）电池在0、1、2、3和4 cm浸没深度下，过热诱发热失控过程中的温度演变曲线（T1–T4）。与未浸没条件相比，1–4 cm的浸没深度均不同程度地延迟了安全阀开启时间以及达到电池峰值温度所需的时间。通过考察不同工况下的峰值温度，可以观察到峰值温度随浸没深度的增加呈现先升高后降低的趋势。对于2000 mAh电池，未浸没和2 cm浸没条件下的峰值温度分别为669.6 °C和710.8 °C；对于2600 mAh电池，对应数值为745.9 °C和842.7 °C；对于3200 mAh电池，则为526.2 °C和700.9 °C。这些结果表明，2厘米的浸没无法有效抑制热失控，且该条件下的峰值温度甚至高于非浸没条件。这一反直觉现象归因于两个主要因素。首先，并未发生过度的冷却剂蒸发。这主要是由于系统良好的整体换热能力以及热失控持续时间极短。尽管在爆发阶段发生了局部快速蒸发，但在这一短暂窗口期（数十秒）内蒸发的总质量不足以耗散产生的巨大热量。其次，早期散热延长了热失控的孕育期，使得内部副反应（如SEI分解）得以更充分地进行并积累更多热量。当热失控最终爆发时，指数级增长的产热速率压倒了有限的蒸发冷却效果。因此，在长时间的孵化阶段积累的热量剧烈释放，导致峰值温度高于未浸没状态。在1-2厘米的浸没深度下，T1和T2处的温度显著高于T3和T4。这是因为在热失控期间，热量在T1和T2位置积累，而T3处的负极与浸没液体充分进行热交换，从而大幅降低了其温度。同时，位于气相区域的T4探头向周围空气散热，导致其温度介于T2和T3之间。对于浸没深度为3和4厘米的2000 mAh和2600 mAh电池，以及浸没深度为4厘米的3200 mAh电池，整个系统表现出相对较低的温度，温度排序为T2 > T1 ≈ T4 > T3。这是因为浸没在冷却液中的T3与液体进行了有效热交换，使其温度保持在100 °C以下，而暴露在环境空气中的T2虽然产热量高，但传热效率低，导致温度相对较高。总体而言，浸没深度对电池热失控温度演化的调节呈现出非线性规律。1–2 cm的浅浸没仅能缓解负极的局部温升，但无法抑制整体热失控，甚至可能导致峰值温度高于非浸没状态。在3 cm浸没深度下，2000 mAh和2600 mAh电池系统的异常温升可得到有效抑制，而在4 cm浸没深度下，3200 mAh电池的热失控扳机被成功阻断。

图2。不同浸没深度下电池热失控的温度演化。

显然，浸没深度在电池浸没式液冷系统中起着至关重要的作用。为了避免热失控加剧和冷却液失效，应根据相关电池的具体参数选择合适的浸没深度。

3.2. 不同浸没深度下热失控期间电池的质量损失

在热失控期间，电池内部压力急剧上升，安全阀开启后，大量物质被喷射到周围环境中。

电池热失控过程中的质量损失直接反映了内部电解液挥发、活性物质分解以及反应产物喷出的剧烈程度，因此可作为评估热失控严重程度的重要指标[35,36]。不同浸没深度下锂离子电池的质量损失变化如图3所示。在未浸没条件下，电池热失控反应最为剧烈，质量损失达到最大值[37] 2000 mAh、2600 mAh和3200 mAh电池的质量损失分别为30%、33%和66%。在无冷却剂的系统中，电池内部发生放热链式反应，导致大量电解液、易燃气体和固体颗粒瞬间喷出[38]。由于热失控未得到缓解，导致了显著的质量损失，因此在这种条件下，质量损失百分比达到了最高值。在1厘米的浸没深度下，三种电池容量的质量损失百分比分别大幅下降至21%、24%和50%，表明局部冷却能初步抑制材料释放。在2厘米浸没深度下，质量损失率分别为25%、31%和39%。在3厘米浸没深度时观察到进一步的减少，质量损失显著下降至5%、3%和33%，表明深浸没能显著减少产品喷射。在4厘米浸没深度时记录到最低的质量损失值，仅为0%、2%和6%，表明电池的质量损失可以忽略不计。综上所述，随着浸没深度的增加，电池的整体质量损失率呈现下降趋势，尽管这种趋势是非线性的。存在一个抑制热失控的临界浸没深度。此外，对于给定的浸没深度，容量较大的电池在热失控期间往往会经历更大的质量损失，表明其热失控行为更为严重。

图3。不同浸没深度下电池热失控前后的质量。

3.3 浸没条件下电池热失控期间有毒燃料费释放动力学

锂离子电池的热失控会释放多种有毒气体，包括CO、NO2、NH3和HF，其峰值浓度和总产气量可以反映热失控的严重程度以及冷却剂参与反应的程度[22]。基于傅里叶变换红外光谱仪的在线监测结果[39]，本研究重点分析NO2、CO、NH的释放模式3以及HF，针对2000、2600和3200 mAh三元锂电池，在0、1、2、3和4 cm的浸没深度下。结果如图所示图4, 图5和图6.

图4。电池热失控期间在不同浸没深度下释放的主要燃料费物种的极端浓度。

图5。不同浸没深度下电池热失控期间的总燃料费排放。

图6。3200 mAh锂离子电池在2 cm浸没条件下热失控期间的燃料费浓度变化。

图4展示了三种电池容量在不同浸没深度下四种关键有毒燃料费的峰值浓度。总体而言，燃料费峰值浓度随浸没深度呈现显著的非单调变化，2厘米浸没构成了一个明显的高风险峰值区间。对于2000 mAh电池，与未浸没状态相比，1厘米浸没显著降低了NO2和CO的生成，但HF峰值仍略高于0厘米时的水平。在2厘米浸没下，NO的峰值2、NH3，且HF均高于0 cm时的数值，这表明虽然浅浸没可以冷却电池下部，但由于上部未浸没区域持续高温，可能会加剧氟化冷却剂的热解。2600和3200 mAh电池也观察到类似趋势。上述数据表明，1 cm浸没对NO2生成具有明显的抑制作用，在此条件下，三种容量的NO2峰值均降至0。然而，在2 cm浸没下，NO2、CO、HF和NH3大幅反弹。对于2600和3200 mAh电池，NO2峰值接近1.02 × 104；CO峰值分别达到2.26 × 104和5.01 × 103；HF峰值达到2.44 × 103和 2.25 × 103，分别如此。这种异常的升高表明2厘米的浸没深度不足以抑制电池，且延长的热失控潜伏期使内部反应更加充分，导致含氮化合物在高温下被氧化，HFE-7200发生热解产生HF [4].

图5进一步展示了电池热失控期间在不同浸没深度下的总燃料费产量。对于2000 mAh电池，在0、1、2、3和4 cm浸没深度下的总燃料费产量分别为195、23、407、14和0 mg，顺序为2 cm > 0 cm > 1 cm > 3 cm > 4 cm。对于2600 mAh电池，总燃料费产量分别为19、43、6283、622和16 mg。对于3200 mAh电池，总燃料费产量分别为23、36、1088、30和24 mg。可以看出，所有三种电池容量的总燃料费产量都在2 cm浸没时达到峰值，且对于2600和3200 mAh电池，总燃料费产量随浸没深度的增加先增加后减少。在2 cm浸没条件下，2600 mAh电池的总燃料费产量约为0 cm条件下的330倍，3200 mAh电池约为47倍。研究了分解的温度依赖性。需要注意的是，总燃料费产量包括电池自身产生的气体以及HFE-7200冷却剂热解产生的气体。因此，尽管2600 mAh电池在2 cm浸没深度下表现出最高的总燃料费产量，但其质量损失并非最大，因为质量损失主要反映的是电池内部材料的喷出和分解，而非冷却剂的热解。当浸没深度增加到3 cm时，2000 mAh电池的总燃料费产量降至14 mg，2600 mAh电池降至622 mg，3200 mAh电池降至30 mg。当浸没深度达到4 cm时，2000 mAh电池未产生气体，而2600 mAh和3200 mAh电池的总燃料费产量分别降至16 mg和24 mg。上述结果表明，安全浸没深度表现出明显的容量依赖性：2000 mAh电池在3 cm浸没深度时即可显著抑制燃料费产生，而2600和3200 mAh电池则需达到4 cm浸没深度才能进入低燃料费产生范围。

图6显示了3200 mAh电池在2 cm浸没条件下四种有毒燃料费的浓度演变。在热失控扳机触发后，HF、NO2、CO和NH3在第一个显著释放采样点被同时检测到，但它们的峰值出现顺序和峰值浓度存在显著差异。HF首先达到峰值，峰值浓度为2251.72 mg/m3，且峰值出现在第一个显著释放点，表明HFE-7200的C-F键在高温下迅速解离，且氟化冷却剂的热解与热失控的扳机同步发生[40,41]；在2厘米浸没深度下，液面附近的冷却剂直接接触高温电池和高温蒸汽，导致HF生成速率极快，使HF在热失控早期阶段即可达到最高浓度[4]。CO的峰值浓度为5014.17 mg/m3，发生在HF峰值之后。这是因为在热失控的早期阶段，电解液溶剂和SEI膜迅速分解，产生大量有机可燃物质，这些物质在局部缺氧条件下发生不完全氧化，优先形成CO [42,43]；随着可分解物质被消耗并排出，CO浓度整体下降。NH3的峰值浓度为505.95 mg/m3，出现时间晚于CO峰值，且远低于NO2和CO的峰值，表明NH3在还原/水解条件下由含氮组分生成的情况有限，且NH3在高温氧化气氛中极易被进一步氧化，导致峰值低且延迟出现[44]。NO2的峰值浓度最高，达到10,209.70 mg/m3，且出现时间最晚，峰值后长时间保持高水平；这归因于NCM正极在高温下的分解释放了氧气，使得含氮物种被氧化为NO2在富氧和高温条件下。在2厘米浸没深度下，电池上部未浸没区域的温度超过500 °C，持续为NO2生成提供氧化环境。就峰值出现顺序而言，四种气体的顺序为HF → CO → NH3→ NO2；就峰值浓度而言，顺序为NO2> CO > HF > NH3。这一序列表明，在浸没深度小于2厘米的情况下，热失控早期主要由氟化冷却剂热解和有机物质不完全氧化主导，而中后期则转变为由正极分解驱动的氧化反应，且NO2是该条件下最主要的有毒气体。

结合图4, 图5和图6，可以看出，浸没深度对有毒燃料费释放的调节作用呈现出明显的阶段特征。1 cm的浅浸没对有毒燃料费释放具有一定的抑制作用；在2 cm浸没下，NO的峰值2、CO、HF和NH3以及总燃料费产量异常增加；3–4 cm的深度浸没可以平衡产热与传热，切断链式放热反应，停止NO2生成，并将CO、NH3和HF浓度降低至低水平。对于2000 mAh电池，3 cm浸没可将总燃料费产量降至14 mg，4 cm浸没时燃料费产量为零；2600 mAh电池需4 cm浸没才能将总燃料费产量降至16 mg；对于3200 mAh电池，4 cm浸没时NO2为0，CO为34.42，NH3为57.73，HF为20.06 mg/m3，所有单项燃料费监测值均低于100 mg/m3。上述结果可为浸没式液体冷却系统的安全液位标定提供定量实验依据。

3.4. 浸没深度对电池热失控的调节分析

高容量电池具有更高的内部储存能量，一旦热失控发生，释放的总热量也更大[41,45因此，应综合考虑峰值温升、质量损失和有毒气体排放等多个指标，全面评估不同容量电池在不同浸没深度下的热安全性能。本节基于多特征实验数据构建了电池火灾风险图，划定了高风险热失控区和安全抑制区。通过确定临界液位，量化了浸没深度的安全阈值。从能量平衡和分区传热的角度揭示了非线性调节机制，即浅浸没往往会加剧热失控，而深浸没则能有效抑制热失控。

根据峰值温度、质量损失和燃料费排放的结果，电池火灾风险热图(图7) 被构建用于表征不同容量电池在不同浸没深度下的热失控风险。图中虚线划定了高风险热失控区与安全抑制区之间的边界。结果表明，浸没深度对热失控具有明显的非线性调节作用。未浸没、1 cm和2 cm浸没条件下的电池大多位于高风险热失控区。值得注意的是，在2 cm浸没条件下，部分电池的温度响应和燃料费排放甚至有所加剧。当浸没深度增加到3厘米时，系统风险显著降低，2000毫安时和2600毫安时电池的热失控强度得到有效缓解。在4厘米浸没深度下，所有三种电池容量均进入安全抑制区。同时，容量较大的电池需要更高的浸没深度才能达到安全状态。这些发现为浸没式液冷系统的液位设计和安全裕度确定提供了依据。

图7。电池火灾风险热力图。

浸没式氟化液对热失控的调节本质上是电池内部放热链式反应与冷却剂多模式传热之间的动态能量竞争过程。本研究基于集总参数法建立了电池热失控期间的能量守恒方程，如式(1)所示。其中，，可通过Arrhenius形式的放热反应动力学进行近似，并随温度呈指数级增长[

{\dot{Q}}_{gen}

46,47,48]，作为触发热失控的内部驱动力，并且取决于浸没区域、氟化液的对流换热系数以及核态沸腾热流密度等因素。

{\dot{Q}}_{imm}

ρ_{b} C_{p, b} V_{b} \frac{dT}{dt} = {\dot{Q}}_{gen} - {\dot{Q}}_{imm} - {\dot{Q}}_{loss}

(1)

其中 ρ是电池的密度，C是电池在恒压下的比热容，V是电池的有效体积，是电池的总产热率，是氟化液的总传热速率，并且是电池外壳通过自然对流和辐射向周围环境散热的速率，在热失控期间可忽略不计，可近似省略。bp,bb

{\dot{Q}}_{gen}

{\dot{Q}}_{imm}

{\dot{Q}}_{loss}

如前所述，存在一个临界浸没深度，超过该深度即可有效抑制热失控。低于此临界深度的浸没深度在此后被称为浅浸没，而高于此深度的则称为深浸没。在浅浸没条件下（例如1-2厘米），系统仍处于热失衡状态，，因为冷却剂的散热（)仅限于电池底部有限的浸没区域。更关键的是，在接近HFE-7200的沸点（76 °C）时，电池表面的核态沸腾会迅速转变为膜态沸腾，在壁面形成稳定的蒸汽绝缘层。该蒸汽膜的热导率远低于液体冷却剂（HFE-7200在71 °C时的热导率为0.0563 W/(m∙K)），导致界面热阻急剧增加，并反常地降低了尽管温度不断升高。这形成了一个“沸腾-绝缘-热量积聚”的正反馈循环。从能量平衡的角度来看，这解释了为什么浅浸没不仅无法有效散热，还会延长中低温度反应窗口，使更多活性物质参与反应，最终导致峰值温度高于非浸没条件下的观测值。在深浸没条件下（例如3-4厘米），传热速率由于润湿面积扩大，热量显著增加。在此状态下，系统满足，实现了净热量提取能力。电池表面以高效的核态沸腾为主，这有效地将电池温度控制在触发放热链式反应的临界阈值以下。因此，热失控的传播在能量源头就被中断了。

{\dot{Q}}_{gen} ≫ {\dot{Q}}_{imm}

{\dot{Q}}_{imm}

{\dot{Q}}_{imm}

{\dot{Q}}_{imm}

{\dot{Q}}_{imm} > {\dot{Q}}_{gen}

根据空间传热能力的差异，浸没条件下的电池沿轴向被划分为三个特征区域（图8）。每个区域对热失控行为的贡献由其局部传热系数和热阻分布共同决定。区域I是完全冷却区，完全浸没在HFE-7200的液相中。由于热阻极小，它成为电池向外部环境传热的主要路径[49]。其核心功能在于持续移除电池底部的热量，从而减缓内部温度累积的速度，并为热失控的发生提供时间缓冲。II区是气液耦合区，位于冷却剂气液界面附近，该区域的热传递状态极不稳定[30]。当液位波动或气泡聚集时，该区域可能会在高效的核态沸腾与低效的膜态沸腾之间切换[6]。在浅浸没条件下，电池表面局部高温促进了该区域稳定蒸汽膜的形成，导致界面热阻急剧增加[9,50]。这严重阻碍了热量从电池上部传导至下方冷却区域，从而加剧了未浸没上部的热量积聚。

图8。以3200 mAh电池为例，建立了锂离子电池热失控过程的热传递模型。

III区是非浸没失控区，暴露于空气中，其特征是传热系数极低（约10 W/m2∙K）[6]。在浅浸没条件下，该区域占电池总高度的比例相对较大，成为内部放热链式反应的主要发生地。该区域产生的大量热量无法有效传递到下方的冷却区，最终导致电池整体温度失控。增加浸没深度本质上通过扩大I区轴向比例和缓解II区两相传热的不稳定性，提升了系统的整体散热能力。当第一区的散热速率足以匹配第三区的产热速率时，系统达到能量平衡，热失控的链式反应被有效中断。该模型清晰地揭示了临界浸没深度的物理起源在于产热区与散热区之间的能量匹配关系。它还解释了为何在低于该临界深度时，热失控强度与浸没深度之间会出现反直觉的负相关关系。

4. 结论

在本研究中，以HFE-7200为冷却剂，对不同浸没深度的18650锂离子电池进行了热失控实验。基于包括温度、质量损失和有毒气体排放的多维数据，建立了一个三区传热模型。主要结论如下：

浸没深度对热失控具有非线性调节作用，且存在与容量相关的临界阈值。1–2 cm的浅浸没往往会加剧热失控，而3 cm的浸没深度能有效抑制2000和2600 mAh电池的热失控；对于3200 mAh电池，则需要4 cm的深度才能完全防止热失控。随着浸没深度的增加，电池在热失控过程中的质量损失持续减少，在4 cm浸没时达到最小值。当热失控被有效抑制时，系统的最高温度为264.3 °C。在不同浸没深度下，2000、2600和3200 mAh电池的平均质量损失率分别为16.2%、18.6%和38.8%。
结果表明，2厘米浸没是毒性燃料费释放的高风险区间，各组分燃料费的峰值浓度和总燃料费产量显著增加；3-4厘米的深浸没可有效抑制燃料费产生，NO2不再生成，且剩余毒性燃料费的浓度均低于100毫克/立方米3。燃料费释放顺序为HF、CO、NH3、NO2，峰值浓度顺序为NO2> CO > HF > NH3. 安全浸没深度随电池容量增加。
电池可沿轴向分为三个特征区域：完全冷却区、气液耦合过渡区和未浸没热失控区。浸没深度存在安全阈值。在浅浸没条件下，未浸没热失控区占电池高度的很大比例，无法中断链式反应。相比之下，深浸没实现了产热与散热之间的平衡，从而抑制了电极与电解质之间的放热链式反应。这种三区传热模型为浸没式液冷系统的安全液位设计提供了理论支持。

本研究仍存在一定的局限性：仅聚焦于18650三元锂电池和HFE-7200冷却剂，因此将结论外推至其他电池系统和冷却介质时应保持谨慎。热失控是由外部加热触发的，这与内部短路和过充等实际滥用工况有所不同。此外，HFE-7200的沸腾传热、蒸汽膜演化以及完全热解产物光谱尚未得到定量表征，实验重复性和不确定性分析也需进一步加强。

未来的工作可以进一步开展不同老化状态、SOC和化学体系下的浸没冷却实验；研究真实滥用条件下模组和电池包层级的热失控传播与抑制；结合高速可视化、在线燃料费分析和耦合建模，量化蒸汽膜动力学和热解产物生成，并开发动态液位控制和安全液位设计方法，从而为浸没式液冷系统的安全边界设计提供支持。

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