上海交通大学 Ma 等人近期在《Process Safety and Environmental Protection》发表的研究中，给出了一个让人重新审视电池安全预警的结论：当电池浸没在冷却液里时，传统靠温度的预警方案几乎失效，而贴在电池表面的薄膜压力传感器，能在侧壁温度只有 25.6 ℃ 时就给出结构失稳预警——比安全阀开启早 29 分钟，比热失控真正发生早 55 分钟。

液冷时代，温度预警为什么"哑火"了

锂电池越来越普及，从电动汽车到大规模储能，整个能源结构都在围着它转。但电池自身的热失控风险也始终是悬在头顶的达摩克利斯之剑——一旦反应进入自维持状态，从单体损伤演变成系统级失效的速度，往往以秒计。

关于热失控的早期预警，业内已经提出了不少方法：温度、气体成分、电压变化、声发射、应力应变。这些信号各自对应着电池内部不同层级的失稳过程——放热副反应、产气、结构膨胀、电化学异常。其中温度信号因为传感器成熟、成本低、易集成，成了最普及的预警指标。

问题是，温度是热积累的宏观响应，在失稳早期往往滞后于底层物理化学过程。当热管理方案迭代到浸没式液冷这一步时，这个问题变得更尖锐。

相比风冷、冷板、管路这类间接散热方式，浸没式液冷通过把电池直接泡在电绝缘液体里，实现了更快、更均匀的散热，还能顺带抑制局部过热、提供灭火能力。Li 等人的研究测过：1/3 C 过充条件下，浸没模式最高温度被压在 110 ℃ 以内；没有液冷的电池，温度能冲到 350 ℃ 以上。

可液冷"压住"了温度的同时，也把表面温升速率压低了，温度信号随之变得更平缓、更迟钝。这直接导致传统温度阈值预警出现响应延迟，处置窗口被严重压缩。换句话说，冷却做得越好，温度预警越滞后。

所以业内开始寻找那些受外部换热条件影响小、能更直接反映电池内部失稳进程的替代信号。热失控过程中，电解液分解、寄生电极反应持续产气，驱动内压累积、外壳鼓胀——这类力学变化源自电池内部反应而不是外部换热，因此演化过程受冷却环境影响相对较小，通常早于宏观失效事件出现。

思路切换：从"测温度"到"看界面"

过去关于结构信号的预警研究，多依赖整体力学描述——主要刻画结构变形的总幅度，但对热失控过程中力学响应的空间非均匀演化，能提供的信息有限。

该团队在前期工作中，把薄膜压力传感器集成到电池系统里，对热失控过程中"力分布"的演化做了原位监测。结果显示，结构响应不仅表现为载荷幅值的整体增大，还包括接触区域的渐进扩张，以及压力分布模式的持续重构——空间分辨的力学响应，能捕捉到比传统整体指标更早的失稳前兆。

基于这个发现，这篇论文把视角切到"界面"层面：在外部加热触发的可控热失控平台上，同步原位采集界面应力分布和温度，分别在有/无浸没液冷的条件下做对比测试。由此提出一个关键的结构描述符——界面接触面积 A，并把它的时序增长率 dA/dt，作为热失控的低温早期预警指标。

实验是怎么做的

2.1 薄膜压力传感器

实验用的是天策电子的薄膜压力传感器（和我们 CNSCAN 用的同一规格），做原位电池形变监测。它的厚度只有 0.46 mm，能紧贴电池外壳表面，不会显著改变原有的力学约束状态。这种超薄设计既降低了传感器引入的额外结构影响，也为后续电池模组的实际应用提供了可行路径。

当电池外壳发生微小但可检测的鼓胀时，沿表面的接触压力变化能被实时捕获。传感器采用多层柔性结构：双层 PET 作为基底和保护层、上面覆盖银浆层和碳浆层——这些功能层通过粘合层牢固粘接，内部还嵌入一层空气通道层来增强形变灵敏度。

核心感应元件是栅格状半导体单元，按行列交叉排布，构成可扫描的二维矩阵。外加压力时，碳浆层微观结构变形，对应电阻变化；这种压力-电阻关系经过标定后，能把每个节点的局部压力量化出来。快速电子扫描电路读取每个交叉节点的电阻，从而实现压力幅值和分布的实时测量。

具体参数：监测点密度 6.9 个/cm²，总共 2288 个点；压力量程 0–3447 kPa，精度 5%；压力分辨率 1.2 kPa。

2.2 实验电池配置

实验电池用的是 280 Ah 商业方形电芯，正极磷酸铁锂（LiFePO4），负极石墨，是目前储能产线最主流的规格。具体参数：

— 标称容量 280 Ah，标称电压 3.20 V

— 充放电截止电压 2.50–3.65 V

— 尺寸 173.7 × 217.2 × 71.7 mm，质量 5420 ± 30 g

— 内部 2 卷电芯叠片

电池充满到 100% SOC 后，一侧与加热膜直接接触（面积与电池面相同，保证均匀热输入），通过持续加热诱发热失控。为减少加热板向周围散热，两侧布置气凝胶隔热（外裹 PET 膜防止油渗入），整体用钢板和螺栓夹紧密封。

浸没介质选的是两种有机绝缘冷却液——Oil-A（闪点 75 ℃，粘度 1.490 cSt，最低沸点组分的沸点 164 ℃）和 Oil-B（闪点 150 ℃，粘度 4.616 cSt，最低沸点组分沸点 295 ℃），均由 Lubrizol 提供。这类有机油因为电绝缘性好、来源广、成本低，是浸没式液冷的常见选项。

2.3 实验装置

整个实验系统的设计如图 4。直流电源以 600 W 恒功率给加热膜供电，保证热失控以可控方式触发；数据采集系统实时记录温度和电压信号，相机记录热失控的视觉进程；压力采集系统连接薄膜压力传感器，做实时压力信号采集；排气系统（工业抽排+尾气处理单元）负责抽走烟雾并处理尾气。

实验结果：温度失灵，力学先行

3.1 热失控过程中的热特性

先把电池放进 ARC（加速量热仪）摸了一遍底：3 ℃ 步进、15 分钟恒温停留、自热判定门槛 0.02 ℃/min。结果显示电池在加热过程中呈现典型三阶段热行为——

— 温度低于 T₁ = 99.3 ℃：自热速率低于 0.02 ℃/min，电池处于热稳定状态

— 温度升至 T₂ = 229.1 ℃：自热速率开始持续增加，温升速率陡然上升，进入加速失控阶段

— 温度最终冲到 T₃ = 425.6 ℃

ARC 测试接近绝热条件，测得的响应主要由内部化学反应决定，符合电池本征的热失控轨迹。在实际浸没液冷环境下，这个轨迹会受边界换热效应的显著调制。

接下来对比三种工况下电池的温度演化：空白电池（无液冷）、Oil-A 浸没、Oil-B 浸没。这里给出热失控触发时刻的判定标准：

— t_TR = min{ t | dT_side/dt > 1 ℃/s }

— T_{side, TR} = T_side(t_TR)

空白电池在 t_TR = 1840 s 触发热失控，对应 T_{side, TR} = 146.1 ℃，随后温度急剧上升，最终峰值 297.3 ℃。Oil-A 工况下，触发被推迟到 3600 s（比空白组晚 1760 s，即 29 分钟），T_{side, TR} = 145.2 ℃，最高温度降到 234.7 ℃；T_oil 温升紧贴 T_side，说明油的导热性能不错，对电池的散热作用显著。Oil-B 工况类似，T_{side, TR} = 161.6 ℃，峰值 232.3 ℃。

再看 dT_side/dt 的对比。浸没液冷下，初始温升速率被显著压制——从初始状态到 T_{side, TR} 的平均温升速率：空白电池 0.069 ℃/s，Oil-A 0.035 ℃/s，Oil-B 0.038 ℃/s。浸没液冷把这个数字压低了 45%–49%。换句话说，外部表面温度信号在浸没环境里被大幅衰减。液冷改变了热失控的热响应特征，这也促使研究者去思考那些受对流边界条件影响更小的、基于力学信号的预警策略。

3.2 正常工况下的压力特征

要建立力学预警信号的定量阈值，首先得界定正常电化学循环过程中压力变化的范围。这里引入"界面接触面积 A"这个量，来量化热失控过程中接触状态的空间演化：A 定义为压力场中显示可检测压力响应的积分面积。

实验中以 P > 0 作为有效接触区域的判定依据——这是基于薄膜压力传感器的可检测范围。压力分辨率 1.2 kPa，零压输出代表信号低于检测范围，而不是完全没有力学交互。A 代表压力传感阵列检测到的压力响应区域总面积。在实际实验里，这个连续积分通过对有效压力响应离散传感单元面积求和实现，量化了电池侧壁和传感器之间有效接触区域的空间范围。

初始状态下，界面并不完全贴合——外壳表面粗糙度、制造公差、有限的装配预紧，只有局部区域才真正接触。所以 A 随界面压力和电池形变而变化。

为系统评估不同电流强度下的结构响应变化，实验设计了一组充放电协议：依次跑四种倍率组合（0.5C–0.5C、0.5C–1C、1C–0.5C、1C–1C），每两个循环间留 20 分钟静置以消除热积累。工况从低倍率逐步过渡到高倍率，覆盖 280 Ah LiFePO4 电池的典型运行区间。

整体看，所有标准工况下 F 和 A 信号都呈现与充放电过程相关的周期性变化：充电时，由于嵌锂过程中电极材料的可逆体积膨胀，F 和 A 普遍增大；放电时，由于脱锂过程电极收缩，F 和 A 趋于减小。这种可逆变化缓慢而连续，是正常运行的基线力学响应。

统计下来：dF/dt 最大值 1.1 N/s，dA/dt 最大值 14.8 mm²/s，都出现在 1C–1C 工况充电末段，对应演化连续平滑，没有突变或不连续过渡。

再看两种代表性工况（0.5C–0.5C 和 1C–1C）下的压力分布演化。0.5C–0.5C 工况下，充电过程中压力分布相对均匀，接触面积比从初始 32% 增加到 67%；放电时接触区域对称收缩，反映出明显的可逆性和协调的体积膨胀，看不出局部应力集中。1C–1C 工况下，充电末段局部压力水平升高，接触面积扩大到 85%，放电时回收到 43%。这种可逆且渐进的变化，刻画了界面接触状态的正常演化，为区分热失控异常膨胀提供了参考基线。

3.3 基于界面接触面积的预警策略

先把没有浸没液冷的空白电池作为代表性案例，对比 A 和 T_side 在热失控初始加热阶段的演化。整体看，温度随时间呈准线性增加，在触发阶段前保持相对平缓。相比之下，A 表现出更明显的阶段依赖行为：早期迅速增大，达到峰值后趋于平台。

常见的判据包括阈值法和变化率法。基于 3.2 节建立的正常循环基线（dA/dt ≤ 14.8 mm²/s），这里取 dA/dt = 50 mm²/s 作为异常判据。超过这个阈值，意味着从正常界面变化过渡到与异常热力学演化相关的快速接触面积重构，因此可以作为结构失稳的指标。

按面积判据，空白电池（无浸没液冷）的预警时刻定在 60 s，对应 T_side 仅 33.5 ℃。

接下来换到浸没液冷工况。浸没液冷的高效换热显著改变了温度信号的响应行为，导致传统温度预警方法延迟，阻碍热失控风险的及时检测。同时，浸没液冷对热失控又有很强的干预能力——如果能在早期识别前兆信号，就能通过冷却调节实现有效抑制。所以开发一套针对浸没液冷环境的快速响应预警系统至关重要。

论文里选了 Oil-B（闪点约 150 ℃）作为代表性介质，因为它的闪点更贴近实际电池浸没应用的热安全要求。

在浸没条件下热失控过程中 A 的演化：外部加热一开始，A 就快速扩张，dA/dt 迅速增大，在 t = 60 s 达到最大值 99 mm²/s，远超 50 mm²/s 的判据。考虑到正常工况下 dA/dt 最大值与热失控期间的快速扩张响应之间的明显差异，选定的阈值能有效区分异常结构演化。

而且由于热失控早期 dA/dt 急剧上升，判据阈值的适度变化只带来预警时刻的有限变化——证实了所选判据的稳健性。这个预警时间，比安全阀开启提前了 1725 s（≈29 分钟），比热失控开始提前了 3300 s（≈55 分钟）。

要知道安全阀开启通常伴随高温可燃气体释放和系统失稳急剧升级（Chen 等，2025a），这么长的提前量，为主动控制策略提供了真正有意义的窗口——远远早于转入危险的失效阶段。

再对比力信号。基于 3.2 节常规充放电条件的统计分析，取 dF/dt = 5 N/s 作为电池的异常判据（Li 等，2024b）。在热失控过程中，F 随内压逐渐累积而渐进增大，直到 t = 1660 s 才达到这个阈值——这时候已经快接近安全阀开启的时刻了。

F 反映的是内压的宏观强化，而 A 对界面接触状态的突变和扩张更敏感——即使在浸没强化换热条件下，A 也保持着显著更早的响应。

进一步分析 dA/dt 和内部力学演化的关系。图 10e 给出 ΔA 和 ΔF 的关系：早期 F 的小幅增长，伴随着 A 的明显扩张。例如在 60 s 预警时刻，F 只增加了约 112 N，A 却已经增加了约 2785 mm²。这说明早期力学响应主要不是 F 的累积，而是局部形变——封闭了电芯和传感器界面之间的初始微观间隙，从而快速建立起新的有效接触区域。薄膜压力传感器 1.2 kPa 的分辨率能检测到相对较小的局部压力变化，从而捕获这种早期界面重构过程。

需要说明的是，dA/dt 不由单一因素决定，而是受内部膨胀驱动力和界面力学边界条件共同影响。内压演化和材料热膨胀提供力学形变的驱动力，而外壳刚度、初始界面间隙、装配预紧则影响这种形变向 A 增长的转换。因此 A 的演化反映了热失控过程中热力学耦合引起的界面结构状态动态变化。

图 11 的压力分布等高线图描绘了 0–3600 s 的压力分布演化。在 A 判据预警时刻（60 s），传感器接触面已经开始扩张。到 100 s，已经形成基本连续的接触区域，而应力幅值基本未变。随着测试推进、首次泄放事件发生，传感器表面几乎完全承载载荷，此后的演化特征是应力强度的增大，而不是 A 的进一步扩张。

这些观察表明：A 捕获的是内部异常的初始阶段，而 F 对应的是伴随显著压力累积的响应。

最后看温度维度。图 12a 给出浸没条件下侧壁温度 T_side 和变化率 dT/dt 的演化：连续外部加热下，T_side 近似线性增长，温升速率长期处于较低水平。热失控开始前，dT/dt 始终低于 0.2 ℃/s，没达到温度速率预警阈值（Chen 等，2025b；Wang 等，2025）。这说明浸没油通过强对流换热，有效抑制了电池外表面的热积累，导致早期热响应相对平缓。

图 12b 把各特征时刻的温度摆在一起：A 预警在 t = 60 s 触发，此时 T_side 仅 25.6 ℃，系统还没进入明显的热加速阶段；F 预警触发时温度为 92.3 ℃；安全阀开启时 T_side 只有 94.4 ℃。这些温度远低于传统上与热失控关联的高温区间。

因此，在浸没系统内，A 变化速率能在相对低温阶段识别内部结构失稳的初始发生，表现出卓越的预测能力，且对边界换热条件的敏感性显著降低。

论文的结论

这项研究用外部加热实验装置，研究了 280 Ah 方形电池在浸没液冷下的热行为。在电池表面安装分布式薄膜压力传感器做原位监测，以捕获界面力学响应。对比空白和浸没电池后发现：在热失控触发前，电池侧壁的平均温升速率从 0.069 ℃/s 降到 0.035–0.038 ℃/s。浸没条件下，安全阀开启时的侧壁温度相对较低（94.4 ℃）。液体的存在衰减了剧烈的热反馈，使温度信号在危险升级前更平缓，从而降低了基于热量的早期预警的有效性。

界面接触面积 A 及其增长率 dA/dt 揭示出：在热失控早期，界面扩张先于内压升级发生。A 的快速增长源自热力学诱导的局部形变——它封闭了预先存在的界面微观间隙，在显著力累积之前就建立起新的有效接触区域。基于常规充放电条件下 dA/dt 的最大波动范围（不超过 20 mm²/s），建立 50 mm²/s 的异常阈值，以确保与正常结构响应的明显区分。

实验结果表明：A 信号在 t = 60 s 满足这个判据，此时侧壁温度仅 25.6 ℃，仍处于低温范围。相比之下，F 判据 dF/dt = 5 N/s 直到 1617 s 才触发，明显滞后于界面扩张过程。A 预警比安全阀开启提前约 1725 s，比热失控开始提前约 3300 s。

这项研究建立了受控条件下界面接触演化与电池热失控响应之间的关联，展示了界面力学演化作为传统热信号和整体膨胀信号的补充安全提升的潜力。未来的工作将聚焦于阐明不同电池化学体系、运行工况和滥用场景的变化如何调节电化学反应、产气、力学形变和界面接触状态的耦合演化。所提方法在模组层面和长期运行中的适用性也需进一步评估——这种机理理解对于建立自适应早期预警判据、推动界面力学演化成为可靠指标至关重要。

原文信息：Ma R, Chen J, Xia F, Cao J, Li Q, Kang H, Wang D, Yu B, Wu W, Shi J, Chen J. Interfacial contact evolution enables low-temperature early warning of lithium-ion battery thermal runaway. Process Safety and Environmental Protection, 217 (2026) 109372. DOI: 10.1016/j.psep.2026.109372