锂离子移动电源的火灾风险评估：一项综合的实验与分析研究

时间：2026年1月29日

来源：Applied Thermal Engineering

编辑推荐：

锂离子充电宝火灾风险系统性研究，通过锥形量热仪和局部过热实验分析不同SOC下燃烧行为，揭示PBUs和PBCs四阶段热失控特征及双峰热释放率规律，建立主成分分析与风险矩阵相结合的综合评估模型，证实外壳作为主要热源（>55%）和PBUs在四种SOC下最高火灾风险。

Fuqiang Yang|Menghui Zhang|Kuijie Li|Qingsong Wang|Zonghou Huang

福州大学环境与安全工程学院，中国福州350108

摘要

锂离子充电宝的普及带来了严重的火灾隐患，但对其火灾风险的研究仍然很少。因此，这项开创性的研究通过锥形量热仪测试和局部过热实验，系统地研究了充电宝及其组件在不同充电状态（SOC）下的燃烧行为。基于火灾特征参数、主成分分析（PCA）和风险矩阵，建立了一个全面的风险评估框架。研究结果表明，充电宝单元（PBUs）和电池芯（PBCs）都经历了四个燃烧阶段：局部点燃、完全点燃、热失控（TR）和熄灭。热释放率（HRR）曲线表现出双峰特性。关键燃烧参数，包括热释放率峰值（HRR_peak）和总热释放量（THR），与SOC呈正相关。此外，在相同的SOC水平下，PBUs的HRR_peak和燃烧强度低于PBCs。组件贡献分析表明，对于THR参数而言，整体并不等于各部分之和。充电宝外壳是热量和烟雾的主要来源（占比超过55%），而PBCs则起次要作用（占比4%至39%）。局部过热实验进一步证实，PBUs中的TR严重程度与SOC呈正相关。PCA提取了两个主要维度，代表“总产热”和“最大燃烧强度”。结合风险矩阵，这些结果证实PBUs在四种SOC条件下具有最高的火灾危险性。本研究为充电宝的火灾风险预防和安全设计提供了实验证据和理论支持。

引言

随着便携式电子设备和新能源产业的快速发展，锂离子电池（LIBs）由于其高能量密度和长循环寿命，已成为全球主导的电化学储能技术[1]、[2]、[3]。作为其关键应用形式之一，便携式充电宝的全球市场持续扩大。然而，高能量密度特性使得LIBs在热、电或机械滥用条件下容易发生热失控（TR），导致燃烧甚至爆炸，从而带来严重的消防安全隐患[4]、[5]、[6]。近年来，涉及充电宝的火灾事件频发。2023年1月，广西贵平县一栋自建住宅因充电宝短路引发火灾，造成四人死亡。此外，统计数据显示，仅2025年上半年，中国就发生了15起乘客携带的充电宝在飞机上引发火灾或释放烟雾的事件。这些事故不仅威胁公共安全和财产，也凸显了对商业充电宝进行系统性火灾风险评估的迫切需求。

TR是LIB安全研究中的首要挑战。它代表了一个由内部链式反应引发的快速能量释放过程，通常伴随着高温、可见火焰和大量可燃气体的喷射[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。特别是在像充电宝这样的封闭系统中，各种组件（电池芯、电路板、外壳）的燃烧特性相互作用，导致火灾风险远超单个电池危险的总和。因此，从系统层面解构商业充电宝，彻底研究其完整的TR演变过程和火灾风险，对于产品安全设计、标准制定和灾害预防至关重要。

商业充电宝主要使用18650圆柱形电池和聚合物软包电池（ pouch-type polymer LIBs）。由于这两种类型的结构封装差异巨大，它们的TR行为和火灾特性也存在显著差异。全球研究人员使用加速率量热法、绝热实验、过充和过热测试、针刺测试以及数值模拟等方法进行了系统研究。对于18650电池，大量研究详细揭示了从热滥用[12]（电或机械滥用）到内部短路，再到压力释放阀激活的链式反应过程。这些工作量化了临界TR温度[13]、[14]和反应动力学参数[15]、[16]、[17]，并建立了多物理场耦合的TR模型[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。此外，由于18650电池中的金属外壳和电流中断装置（CID）形成的“压力释放”机制，TR通常涉及喷射火焰现象，这已成为该领域的研究重点。目前，常见的研究方法包括实验表征喷射火焰的形态和燃烧特性，包括温度分布、火焰高度、火焰长度和热释放率等关键参数[13]、[23]、[24]、[25]。一些研究人员还试图通过数值模拟阐明喷射火焰的潜在动态。例如，Mao等人[18]开发了一个零维集总喷射火焰模型，并使用弗劳德数预测了喷射火焰高度。另外，Kong等人[19]基于耦合传热和计算流体动力学，为18650电池的TR喷射火焰建立了一个综合模型，获得了喷射火焰的详细动态特性。对于使用铝塑薄膜外壳的软包电池，滥用条件下的内部侧反应产生的气体会导致膨胀和破裂，最终引发TR。以往的研究主要集中在TR特性、失效机制和在挤压、针刺和过充等条件下的滥用模型上。Ren等人[26]系统研究了过充条件下软包电池的TR行为和失效机制，建立了一个电化学-热耦合的过充-TR模型，准确预测了LIBs在过充过程中的电化学和热行为[27]。Liu等人[28]研究了16 Ah Li[Ni₅Co₂Mn₃O₂（NCM523）棱柱形软包电池在高温、过充和机械应力等典型TR条件下的特性。与18650电池中定义明确的气体生成-压力释放阀开启-喷射火焰路径相比，软包电池的膨胀-破裂-喷射过程具有更高的随机性。破裂位置、大小和形态难以预测，给研究其TR火焰行为带来了独特挑战。因此，研究人员主要使用高速摄像和热成像技术来详细记录软包电池破裂后产生的喷射火焰或火球的关键燃烧参数，包括形态、演变和热释放率。例如，Bai等人[29]使用高速红外和高清摄像机研究了完全充电的软包电池在机械滥用条件下的TR特性，捕捉了TR过程中的火焰演变。An等人[30]系统比较了相同容量的LiCoO₂（LCO）、LiMn₂O₄（LMO）、Li[Ni_xCo_yMn_zO₂（NCM）和LiFePO₄（LFP）软包电池在针刺测试中的TR特性，如火焰现象、电压响应、表面温度和质量损失等。

尽管在软包电池和18650电池的TR研究方面取得了显著进展，但仍存在以下局限性：大多数研究仅关注单个电池或材料，未能将商业充电宝作为包含电池、管理系统、外壳和其他组件的复杂系统进行解构和分析。例如，Zhao等人[31]研究了高/低温循环和容量对便携式充电宝中使用的软包电池TR特性的影响。Liu等人[32]使用锥形量热仪研究了不同阴极材料的18650电池在不同热辐射通量下的TR行为。Kim等人[33]使用锥形量热仪和加速量热仪对不同SOC水平的18650电池的火灾行为进行了比较研究。此外，关于非电池组件（如塑料外壳和印刷电路板）在火灾事件中对总热释放和烟雾产生的贡献的定量实验评估和比较仍然缺乏。充电状态（SOC）对充电宝整体TR行为和火灾风险的影响模式尚未系统揭示。最后，传统的风险评估通常依赖于单一参数，缺乏结合多种燃烧特性的综合评估系统。

为解决这些研究空白，本研究将首次对商业充电宝及其组件的火灾隐患进行系统的实验和评估研究。使用锥形量热仪解构电池、外壳和印刷电路板等关键组件的燃烧特性，以量化它们对火灾行为的贡献。将施加局部加热，在不同SOC下诱导充电宝单元（PBUs）发生TR，从而捕捉温度和电压的动态演变。随后，结合火灾性能指数（FPI）、火灾增长指数（FGI）和有效热燃烧（EHC）等参数，以及主成分分析（PCA）和风险矩阵，构建一个多参数火灾风险评估模型。本研究首次从组件燃烧特性到系统TR行为对充电宝进行了全面表征，为产品安全设计和火灾预防提供了新的方法和理论基础。