基于气体分析的锂离子电池热失控早期预警研究进展

锂离子电池由于能量密度高、循环寿命长、自放电率低和环境友好等优势得到了广泛应用，但其安全方面仍存在隐患，在遭遇滥用时可能会引发电池失效甚至发生火灾爆炸事故，阻碍了其在电动汽车和储能电站方面的大规模应用。针对锂离子电池的安全预警方面的研究引发了相关人员的极大关注，其中，基于电池气体分析的热失控早期预警机制相比于传统的电、热信号在可靠性、准确性、反应速度等方面有所提高。该文总结了锂离子电池在热失控过程中的气体来源，全面对比分析了触发方式、阴极材料、电池型号、荷电状态（SOC）及健康状态（SOH）对热失控产气组分、含量以及产气总量的影响规律，回顾了锂离子电池热失控过程中温度-压力演化特性的研究现状，总结了目前基于气体成分和内部压力的早期预警方案，并对现有研究的不足和潜在研究方向进行了讨论。     

外部热源引起的锂离子电池热失控行为

将自主设计的锂离子电池燃爆舱与量热仪联用,在不同外热功率(50 W、100 W、150 W和200 W)条件下,对荷电状态(SOC)为100％的18650型锂离子电池进行热失控实验.由外部热源引起的热失控可分为阴燃、燃爆和熄灭等3个阶段.随着外热功率的降低,热释放速率、总放热量、表面温度峰值和耗氧量均降低,而触发热失控的时间点推迟,说明在低外热功率下,电池的高温热危害性较低.在50 W外热功率下,燃爆响时间点为520 s、表面温度峰值为502℃,分别比200 W时推迟360 s、降低191℃.CxHy和CO2的释放量随着外热功率的下降而降低,而CO的释放量呈先升高后下降的趋势.CO的体积分数在200 W时为0.18％;100 W时为0.28％,在低外热功率条件下,电池热失控后的毒害性更大.     

储能系统用三元锂离子电池热失控火灾特性

锂离子电池是储能系统的重要组成部分，但储能系统用三元锂离子电池的热失控火灾特性尚未厘清，严重制约了此类储能设施消防控灭火手段的应用和储能行业的安全发展。通过储能系统用三元锂离子电池的热失控实验、量热实验和热扩展实验，研究了电池单体热失控和电池模组热扩展的发展规律。实验结果表明，储能系统用三元锂离子电池在热失控后会直接起火燃烧，释放出大量可燃气体，燃爆剧烈，会形成持续的喷射火，电池单体热失控容易触发相邻电池单体发生热失控，形成链式反应。     

气凝胶毡厚度对锂离子电池热失控特性的影响

自主搭建热失控燃爆实验平台,在气凝胶毡厚度为1 mm、3 mm、6 mm和10 mm的条件下,对100%荷电状态（SOC）的18650型锂离子电池进行燃爆实验,采集和分析电池的温度、烟气浓度及质量损失,分析气凝胶毡厚度对电池热失控特性的影响。气凝胶毡厚度的增加对电池热失控触发温度和峰值温度影响较小,但能减缓热失控行为的传播速度,当厚度为10 mm时,能阻挡热失控行为的传播。CO与CO₂的浓度变化趋势相同,O₂则相反;厚度对烟气浓度变化的影响较小。当厚度为1 mm、3 mm、6 mm时,电池质量损失差值较小;而当厚度为10 mm时,电池的质量损失约为其他阻隔厚度的1/4。当气凝胶毡的厚度增加到一定值时,才会对锂离子电池的质量损失产生较大的影响。     

锂离子电池热失控风险综述

针对锂离子电池在循环过程中可能出现的燃烧、爆炸等安全问题,在概述电池热失控滥用工况及诱发机制的基础上,总结电池在宽温域内可能出现的性能衰退、失效形式和热失控风险,并提出电池在低温、正常温度和高温等环境下工作的保障措施,以促进锂离子电池安全发展.     

三元锂离子电池材料燃烧热值及爆炸当量分析研究

锂离子电池因其能量密度大、高输出电压、无记忆效应以及长循环寿命等特点,在储能、汽车、航天和电子信息等工业领域得到了广泛的应用。然而随着动力锂离子电池热失控引发的火灾和爆炸事件时有发生,因此对锂离子电池各组分燃烧产生的能量及其爆炸当量进行分析研究具有极其重要的意义。建立了一种三元锂离子电池的爆炸危害评价模型,通过对多种型号的三元锂离子电池热失控残骸的分析,确认了三元锂离子电池热失控时的燃烧组分及各组分燃烧放热能量,并将该能量换算为爆炸死亡、重伤、轻伤和财产损失半径,从而直观呈现了其危害范围。     

储存温度对软包装锂离子电池热安全性的影响

开展热失控实验，探究储存温度对软包装锂离子电池热安全性的影响。电池在不同储存温度下的热失控过程相似，但随着储存温度的升高，热失控剧烈程度趋于缓和。储存温度升高，锂离子电池热失控峰值温度、热释放速率(HRR)、总释热量(THR)和耗氧量降低，高温热危害性降低。在40℃储存温度下，电池热失控峰值温度为746℃,比80℃储存温度下高138℃。不同储存温度下的气体释放量不同。对比电压-容量曲线可知，高温会使锂离子电池出现容量损失，且储存温度越高，损失越大。     

基于变压环境的21700型锂电池热危险性分析

为研究新型多用途21700锂离子电池在航空运输过程中可能出现的热安全问题,设计并搭建了锂电池热危险性实验室平台.分别在常压开放与密闭空间,多梯度低压条件下,使用外部热源接触加热的方式触发锂离子电池热失控,并进行实验研究.结果 表明:相较于常压开放环境,低压封闭环境下锂电池燃爆的触发时间将延长,热失控达到的顶点温度更低,但散热性能减弱,锂电池的高温危险性持续时间较长;此外,在较高环境压力下锂电池热失控燃爆更剧烈,产生的燃爆冲击压力更大;环境压力的下降将导致锂电池电解液不充分燃烧反应,会生成更高浓度的可燃性气体和有毒有害性气体,但过低环境压力下较低的氧浓度又会缩短燃烧持续时间,使释放的气体浓度小幅降低.     

低速电动车用锂离子电池热失控风险监测研究

针对低速电动车用锂离子电池存在热失控风险的问题,采用正交试验,对不同温度、充电电流、放电电流、电池荷电状态等易引发电池热失控的几个因素进行研究,得出充放电过程中引发电池热失控的主次因素,为锂离子低速电动车用户和电池生产企业降低电池热失控风险提出合理化建议和技术支撑.     

锂离子电池模组热失控扩展安全性的研究

分别对软包三元和磷酸铁锂锂离子电池模组进行了热失控扩展试验研究。采集电池电压、温度等特征参数,研究锂离子电池在加热触发热失控时的特点及热失控在锂离子电池间传播的特征。对比两款电池的热失控特性及热失控扩展特性,结果表明:试验条件下,三元锂离子电池热失控时释放能量速度快,释放能量集中,更容易发生热失控扩展。