Experimental Study on the Combustion Characteristics of Primary Lithium Batteries Fire

The use of lithium batteries requires understanding their fire and explosion hazards. In this paper, a report is given on an experimental study of the combustion characteristics of primary lithium batteries. Burning tests of single and bundles of primary lithium batteries were conducted in a calorimeter to measure their heat release rates when exposed to an irradiance of 20 kW m^?2. Several variables including time to ignition, mass loss, heat release rate and plume temperature were measured to evaluate the ignition and combustion characteristics. The burning batteries were observed to have flame temperatures in excess of 1,200°C and to release corrosive compounds. The experimental results show that the combustion efficiency, carbon dioxide yield and mass loss are proportional to the number of batteries in the bundle. The total heat released by battery bundles was deduced empirically to be proportional to the number of batteries with a power of 1.26. The results provide experimental basis for the development of fire protection measures during the use, storage and distribution of primary lithium batteries.     

磷酸铁锂储能电站电池预制舱消防系统研究

为确保磷酸铁锂储能电站安全可靠运行,降低磷酸铁锂储能电池的火灾风险,针对磷酸铁锂储能电站电池预制舱的火灾防火和灭火系统控制策略展开研究。以磷酸铁锂电池早期热失控及热扩散的特征气体参数为探测对象,对电池热失控状态进行预测预警,及早预测电池异常状态。采用与电池管理系统（BMS）智慧联动,提出多层次火灾报警控制策略,以控制电池舱爆炸风险隐患,保障储能系统安全。     

锂离子动力电池用气凝胶隔热材料研究进展

近年来,新能源汽车行业发展迅猛。锂离子电池因其能量密度大、循环寿命长等优势成为应用最广泛的动力电池,但其在极端条件下存在热失控安全问题。气凝胶作为一种新型纳米多孔隔热材料,复合材料耐温可达1000℃以上,其凭借优异的隔热性能及轻质、防火、环保等特性,被逐渐应用于新能源汽车电池电芯隔热防火。本文介绍了锂离子电池热失控现象及热防护措施,常用的气凝胶隔热材料及其应用于锂电池中的性能优势,并与传统动力电池隔热材料进行对比,最后对其应用前景进行展望。     

CO2惰化式锂离子电池储能集装箱研究

锂离子电池作为储能载体之一,为新能源并网、电网调峰与调频提供了重要支持。锂离子电池储能技术发展的同时,安全问题不能忽视。通过分析锂离子电池储能集装箱爆炸事故原因可知：锂离子电池热失控释放出的可燃烟气是爆炸的主要成因。根据燃烧三要素原理,设计了CO₂气体保护式磷酸铁锂电池热失控阻燃对比试验。根据试验结果,初步规划设计了CO₂惰化式锂离子电池储能集装箱,以期为锂离子电池储能电站的安全设计提供技术支撑。     

预制舱式磷酸铁锂电池储能系统安全性分析研究

电化学储能是开展电网调峰平谷、风/光能并网,实现“双碳”目标的关键环节,在政策导向和市场需求的双擎推动下迅猛发展,国内以磷酸铁锂电池储能预制舱/电站等形式大量涌现。然而,锂离子电池储能系统本身具有燃烧爆炸风险、成组密集布置进一步增加其发生热失控火灾事故的风险,同时由于电化学储能系统涉及固体、液体、气体及电气火灾等多种形式,给灭火救援处置提出了新的挑战。本文对电化学储能电站的安全性进行分析,并通过锂离子电池储能箱的全尺寸实验进行验证,获取其热失控过程中温度、气体浓度等多种参数,揭示锂离子电池储能箱热失控过程的机理,分析规模化电化学储能系统的火灾风险。研究结果显示,磷酸铁锂电池在热失控燃爆过程中电芯温度、环境温度出现明显变化,其中电芯温度可达700 ℃以上,在规模化应用条件下,磷酸铁锂电池热失控风险高,发生燃爆事故的危害大。因此,电化学储能电站需要从产品标准、设计规范、应急处置等方面加强安全管控,尤其需要开展适用于锂离子电池储能系统的预警装置和热管理技术研究。     

热失控下环境体系对锂离子电池火灾危险性的影响

以21700 型三元锂离子电池为研究对象,选择空气、氮气及水雾三种环境体系,在热失控条件下对锂离子电池表面温度、逸散出的气体浓度进行在线监测,探究不同环境体系下锂离子电池之间的热量传递与热失控火灾扩展情况。结果表明：不同环境体系对锂离子电池热失控行为有显著影响。惰性气体环境不能有效抑制锂离子电池热失控的发生,却由于氧气含量降低,使热失控过程中二次燃烧阶段缺失,降低其火灾扩展危险性,且热失控的响应时间延长。氮气环境中产生的CO 体积分数峰值为2.049 ×10- 3,分别是空气与水雾环境中的154.6%和180.0%。水雾环境中,由于雾滴在正极处积聚,极易使泄压阀工作效率下降,导致内部压力过高而发生更危险的爆炸。在锂离子电池的运输、储存和应用中,应避免环境中湿度过大。可针对性置换环境气氛或提高散热能力,加强对锂离子电池的安全防护,防止热失控行为的发生。     

热处理对锂离子电池热失控特性的影响研究

为了探究外部高温对不同荷电状态锂离子电池热失控特性的影响,将三种荷电状态的18650 型锂离子电池分别热处理至80、100 ℃,在常温下静置24 h 后通过热流道加热线圈使其热失控并分析电池的温度、电压等特征参数。研究表明,同一热处理温度下,锂离子电池荷电状态越高其热失控现象越剧烈,热失控温度越高,电压下降时间越早。同一荷电状态下,热处理至80 ℃的锂离子电池热失控现象更剧烈,热失控温度更高,电压下降时间却更晚。试验结论可为锂离子电池的安全运输、存储及应用提供理论依据。     

不同外部热源及气压对软包装锂离子电池热失控影响

开展不同低压环境(90、70、50 kPa)下的锂离子电池热失控实验,分别使用加热板、辐射环和辐射板搭建3个锂离子电池热失控实验平台.改变加热条件,观察软包装锂离子电池在低压下热失控火行为、温度变化、热释放速率、总释热量、耗氧量和CO2生成量的变化情况.压力的降低会使得锂离子电池在燃烧阶段氧气不充足,电池内部可燃物质与...     

锂离子电池热失控气体燃爆特征实验研究

为研究储能电站电池单元的火灾危险性,针对锂离子电池发生热失控后释放混合气体的爆炸危险性和火灾危险性进行实验研究,测定分析锂离子电池电解液的危险性以及不同环境气氛下锂离子电池的热失控特性。结果表明：按锂离子电池热失控释放主要气体组分配制的混合气体具有较大的爆炸危险性,爆炸下限为6.1%,最大爆炸压力可达0.61~0.76 MPa,可对建筑物造成严重破坏;配制的混合气体最小点火能为0.3 mJ。锂离子电池电解液在120~130 ℃温度下挥发蒸气危险性较高,爆炸下限为2.3%,且燃烧后产生的刺激性气体可能导致人体的二次伤害。实验采用三元锂电池热失控触发温度为125~150 ℃。研究结果可以为锂离子电池储能电站可燃气体探测、通风设计等提供支持。     

低压双流体细水雾抑制锂离子电池热失控研究

利用自主设计的实验平台,采用加热棒模拟锂电池外部过热场景,分别在95、80、60 kPa的环境压力下对18650型锂电池热失控表面温度和CO体积分数变化进行对比,探究低压双流体细水雾对锂电池热失控的抑制效果。结果表明：低压双流体细水雾可在低雾化压力下产生较小的雾滴粒径,并能有效抑制锂电池热失控与热传播,减少CO生成量;雾化压力为1.2 MPa时产生的细水雾雾滴粒径最小,冷却效果最好。随着环境压力降低,细水雾的抑制效果下降。可考虑使用惰性气体作为雾化气体,增强灭火效果。     

SMART Sprinkler Protection for Highly Challenging Fires—Part 2: Full-Scale Fire Tests in Rack Storage

An experimental study was conducted to demonstrate the concept of a new sprinkler protection system using Simultaneous Monitoring, Assessment and Response Technology (SMART). Part I of this study focuses on the system design and function evaluation at the component level. The present work is Part II of the study, focusing on full-scale suppression tests to evaluate the performance of SMART sprinkler technology in protecting rack storage fires. The selected fuel was cartoned unexpanded plastic (CUP) commodity representing an intermediate level of fire hazard. The storage height increased from 3 tiers (9.1 m) to 5 tiers (10.7 m) to 7 tiers (12.2 m) in the three tests. The sprinkler activation was initiated by a smoke detector and a ceiling temperature rise threshold. The fire location was calculated as the thermal centroid based on ceiling temperatures. A group of six sprinklers, closest to the calculated fire location, was activated simultaneously. Subsequent fire development was monitored through visual observation as well as ceiling temperature data. Test results show that the SMART sprinklers can provide adequate protection for the CUP commodities stored up to 7-tiers (12.2-m) high within a rack storage under the tested conditions. The water densities used in these tests were approximately 50% of those in existing protection recommendation. These results lay the foundation for exploring potential applications of the SMART sprinklers to Highly Challenging Fires.     

三元锂离子电池直径和荷电状态对热失控传播影响研究

随着我国新能源汽车的不断发展,锂离子电池作为新能源电动汽车最重要的储能设备,由于其能量密度高的特点,存在着燃烧迅速、爆炸并触发相邻电池热失控传递的热安全危险,制约着更规模化的应用和推广,严重威胁着人员的生命财产安全。电池的热失控主要与其电池形状、荷电状态、连接方式等有关。而在不同荷电状态和不同直径的耦合条件下的电池热失控研究是提高锂电池安全性能的研究重点。为了探究锂离子电池热失控传播过程的主要影响机制,采用不同直径（10440型、14500型、18650型、21700型、26650型和32650型）和不同荷电状态（50%、70%、100%）的三元锂离子电池为研究对象,考察其在一维线性排列方式下的热失控传播时间及热失控空间传播速率变化特征,进而深入分析电池直径和荷电状态对热失控传播时间及热失控空间传播速率的影响机制。采用实验数据、传热学理论以及无量纲分析相结合的方法建立了阻断电池热失控传播链的计算模型,进而预判电池间的热失控传播时间,结合无量纲分析得到了不同荷电状态（50%、70%、100%）电池热失控传播时间与电池直径（10,14,18,21,26,32 mm）的特征关系,提出了一维排列方式锂离子电池热失控传播时间的预测模型。实验研究结果表明：当电池荷电状态（SOC）一定时,电池直径越大,总热阻随之增高,进而导致热失控传播时间增大和空间热失控传播速率减小。在总电能相同的条件下,锂离子电池的荷电量越大,产热量也随之越大。电池直径对电池热失控传播过程的影响主要取决于电池传热过程中热阻的变化,采用集总模型理论、傅里叶理论和界面连续性条件,建立整个锂离子电池模组的热阻公式,并通过公式推导出锂离子电池荷电状态与电池产热量之间的关系。研究结果表明：当电池直径一定时,模组内电池热失控过程的总产热量随着电池荷电状态的增大而增大;在高温环境下,电池之间的热失控传播速率也将随之大幅提升。本文通过在锂离子电池的热失控传播时间段设计阻断传播链的计算模型,进而预判电池间的热失控传播时间,结合无量纲分析系数拟合得出电池荷电状态在50%、70%和100%时,单体电池间的平均无量纲热失控传播时间与电池宽高比、电池荷电状态之间的关系,提出了模组内相邻单体电池间热失控传播时间预测模型。     

电池储能系统火灾预警与灭火系统设计

基于某梯次电池储能系统实际工程项目需求,结合电池热失控机理,提出了基于VOC、可燃气体、温度、烟雾等的多级预警系统及分级预警策略,对电池进行全周期、连续性监测,确保快速有效地检测出电池热失控状态,实现灭火系统的早期介入。在传统的七氟丙烷灭火系统基础上,增加水喷淋灭火系统,确保能够有效扑灭火灾。以退役磷酸铁锂电芯热失控为例验证了该系统的有效性。     

通风条件下储能集装箱磷酸铁锂电池热失控气体扩散规律

储能电站安全和消防问题备受关注,采用磷酸铁锂电池热失控特征气体作为探测预警的方式已经广泛应用于储能电站。气体在储能集装箱部的扩散规律直接影响探测预警的准确性,对通风影响储能集装箱磷酸铁锂电池热失控特征气体扩散规律尚缺乏深入的认识。为了探究通风对储能集装箱特征气体扩散的影响,首先采用锂离子电池热失控实验平台探究了109 Ah 磷酸铁锂电池发生热失控特征气体的种类及组分,然后采用数值分析技术对储能电站气体扩散进行全尺寸模拟,通过改变通风速率、通风尺寸、通风位置讨论特征气体的扩散规律,给出纵向特征气体的变化规律,为现实气体探测预警提供理论依据。     

废旧锂离子电池短路火灾的触发机理及危险性

研究废旧锂离子电池短路火灾的触发机理,定量评估电池仓储的危险性.以实际仓储环境中的废旧锂离子电池为研究对象进行短路试验,结果表明废旧锂离子电池正负极耳相互接触危险性远大于通过其他导电物质连接;不同SOH条件下废旧锂离子电池短路试验表明,废旧锂离子电池容量过低可能会使电池更容易发生失控着火;在100％SOC(电池荷电状态...     

七氟丙烷对磷酸铁锂储能电池的灭火效果

以磷酸铁锂储能电池为实验对象，研究了自由膨胀、夹板限定膨胀的空间条件下，七氟丙烷灭磷酸铁锂储能电池火灾过程中温度、电压的变化，分析灭火效果。结果表明，对于自由膨胀的电池火灾，七氟丙烷可以有效终止其热失控反应；对于膨胀受限的电池，电池本身热失控过程更剧烈，灭火后持续升温时间更长，电池出现第二次热失控甚至出现复燃现象。在实际应用中，应当综合考虑安全性以及成本问题，给电池设置适当的膨胀空间，七氟丙烷灭火剂也应尽早释放。     

基于AI技术的锂离子电池存储区火灾早期探测技术研究

为快速探测锂离子电池存储区域内失效的电池,分析存储区内锂离子电池的失效模式及火灾表征因子,利用基于图像识别和大数据Artificial Intelligence（AI）的技术,对锂钴电池、三元电池、三元电池组（PACK）的堆垛进行理论分析及模拟测试。结果表明：锂离子电池堆垛失效可分为6个阶段：锂离子电池失效外表面温度缓慢上升阶段、乳白色气体沿地平面飘浮阶段、黑色烟气上升阶段、箱体外温度达到探测阈值阶段、着火起始及传播阶段和燃尽阶段;提出了锂离子电池堆垛失效火灾表征因子出现的顺序为白雾、烟气、温度及火焰;同时,开发了一种适用于锂离子电池存储区白雾、烟气及火焰的基于图像识别与大数据分析的AI探测系统,且该系统可在冒白雾1 min内有效预警,较吸顶感烟火灾探测器响应时间快5～10 min。     

含添加剂细水雾抑制三元锂离子电池火灾试验研究

通过自主搭建的锂离子电池燃烧及灭火平台,以三元镍钴锰酸锂电池为研究对象,开展了含添加剂细水雾抑制三元锂离子电池火灾试验,从溶液表面张力、电池最高温度以及降温速率等方面综合分析溶液灭火机理及效果.试验中选择热滥用方式,采用加热炉加热,使三元锂离子电池发生热失控燃烧,采用高清摄像机记录全过程.选取十二烷基苯磺酸钠、十二烷基...     

气凝胶毡组合放置方式对锂离子电池热失控特性的影响

摘 要：为减缓热量在锂离子电池货物间传播,通过自主搭建的锂离子电池燃爆实验平台,开展气凝胶毡在锂离子电池包装内的不同放置位置对热失控热量阻隔有效性的研究。结合试验结果分析选取峰值温度、热失控传播时间和速度、烟气浓度、质量损失以及包装破坏程度作为锂电池包装性能评价参数,引入简化的N-GAS毒性定量评估模型,通过对不同气凝胶毡组合放置方式中的锂离子电池包装件进行评价可知：从对电池组的安全和外包装完整性的保护作用效果看,顶部中部组合对热失控传播阻隔效果最好,并且不建议在锂离子电池实际运输中采用三面全包方式。     

细水雾对磷酸铁锂储能电池模组性能影响研究

细水雾可有效扑灭储能电站磷酸铁锂电池热失控火灾并抑制其复燃,但在灭火过程中细水雾喷放对处于非热失控状态的正常电池的影响尚未明确,一定程度上限制了其在储能电池消防安全领域的推广应用。以正常326 Ah磷酸铁锂储能电池模组为试验对象,系统研究了细水雾持续喷放对其充放电性能、安全性能及数据监测模块（BMU）功能的影响。结果表明：在15 min的细水雾持续喷放及后续观察期间,3组电池模组均未出现外壳形变、未产生可燃气体、未出现温度升高及电火花等异常现象,且各单体电压平稳,BMU数据采集功能正常,试验前后电池模组充放电性能未出现明显波动,验证了细水雾在磷酸铁锂储能电池模组火灾扑救过程中的可靠性。