基于锂离子电池热失控模型的电热耦合滥用条件分析

由锂离子电池热失控引发的各类安全问题是目前电动汽车和大规模储能电站继续推广的一大瓶颈.电、热滥用是引发电池热失控的关键原因,研究锂离子电池的热失控现象对保证锂离子电池安全运行意义重大.基于锂离子电池热失控模型,系统研究了充电倍率、环境温度和散热条件等因素对锂离子电池热失控过程中电、热响应特性的影响.结果表明,相较于常温下的过充热失控过程,在过充-过热耦合作用下,电池热失控SOC会有所降低,当处于极端高温环境时,热失控在电池未充满阶段即可发生.在过热及低表面换热环境下,充电倍率对电池热失控SOC影响不大;在过热及自然对流环境下,随着充电倍率增加,电池热失控SOC提高,热失控时间提前.本研究为可靠的电池安全预警技术开发提供了支持.     

电动客车用七氟丙烷灭火装置最佳热失控抑制参数研究北大核心CSCD

新能源汽车是满足“可持续发展”政策,实现“碳中和”的主要发展方向之一。随着电动汽车的逐步普及,车载锂离子动力电池的安全问题得到越来越多的关注,热滥用、电滥用、机械滥用等均会造成电池燃烧、爆炸,因此开展动力电池热失控抑制研究具有重要的现实意义。本工作搭建了电动客车用202 Ah磷酸铁锂锂离子电池箱试验平台,利用七氟丙烷对锂离子电池热失控的抑制作用,从灭火剂剂量、喷放时机、喷放方式三个方面,分析了七氟丙烷对锂离子电池组热失控的抑制作用、效果和对电池箱的保护作用。结果表明:选用1.8 kg剂量(喷放速率0.06 kg/s)的灭火剂七氟丙烷以双侧间隙开孔软管的喷放方式能够有效抑制热失控;85℃是磷酸铁锂锂离子电池保护的关键点,在保证裕度下设计了触发温度为80℃的电动客车用灭火系统,灭火前后电池性能未发生明显变化,灭火系统能够提供安全保障。本研究有助于为车用七氟丙烷灭火系统的研发提供试验依据,推动锂离子电池电动客车灭火装置的应用。     

Thermal runaway fire characteristics of lithium ion batteries with high specific energy NCM811

通过NCM811高比能锂离子电池在低氧环境、电滥用、热滥用和机械滥用工况下热失控实验研究,获取该电池的热失控特性及关键参数,为进一步的热失控早期预警和火灾扑救研究提供了技术支持。     

车用电池模组热蔓延防护结构的数值仿真研究

本文通过数值仿真研究了一种抑制方形电池模组热失控蔓延的防护结构.针对车用50 A·h方形三元锂离子电池,基于锂离子电池电极材料与电解液副反应机理建立单体电池热失控模型.通过与已有研究结果进行对比验证,表明所建立的热失控模型具有较高的精度.基于验证后的单体电池热失控模型,建立了加装导热套筒的电池模组热防护结构.导热套筒底...     

锂离子电池热失控仿真研究进展

锂离子电池作为常见的储能和动力装置在生产生活中得到了广泛应用,但其在滥用条件下会引发热失控,对其安全性的研究很有必要.热失控仿真因其独有的优势,成为研究锂离子电池热失控的重要手段.本文通过对近期文献的研究,从热失控仿真、热蔓延仿真以及热失控仿真的应用三个方面对热失控仿真的研究现状进行了总结.着重介绍了不同诱因(热滥用、机械滥用和电滥用)导致热失控的产热机理和仿真方法,电池组内热蔓延仿真的研究现状和如何抑制热蔓延以及对热失控预测方法的研究.当前的热失控模型已经具有较好的精确度,可以模拟出电池发生热失控时主要的放热副反应,但电池内部十分复杂,混合了化学反应和物理变化,相关参数难以测量和计算,因此锂离子电池热失控仿真还需进一步研究.     

全氟己酮及细水雾灭火装置对大容量三元锂离子电池的灭火实验

本工作搭建了锂电池燃烧-抑制实验平台,以额定容量为150 A·h的三元铝壳动力锂离子电池单体为研究对象,采用电加热方法诱导其发生热失控,研究全氟己酮及细水雾灭火装置对热失控锂离子电池的灭火降温效果,测试了不同工况下的灭火时间、最高温度、质量损失、灭火效率.实验结果表明:标准设计下的全氟己酮灭火装置能够快速灭火,最大降温...     

锂离子电池热失控产气特性及其可燃极限

锂离子电池热失控安全相关问题一直是困扰电动汽车发展的痛点.本文以SOC为50％、100％的某款三元18650锂离子电池为研究对象,通过试验及仿真研究了热失控过程的释放气体可燃极限、火焰传播特性.首先在加速量热仪内进行加热热失控触发实验,记录该过程中电池温度、压力变化,收集热失控过程中产生的混合气体并使用气相色谱仪分析混...     

不同放电功率下的储能用磷酸铁锂电池热失控特性实验研究

以某款52 Ah储能用方形磷酸铁锂电池单体为对象,采用400 W的外部热源、20.8～166.4 W(1～8 h)的恒功率放电以匹配电池工作状态下的热滥用条件,测量电池热失控过程中的表面温度和电压,记录热失控实验现象和关键时间点,对比研究不同放电功率对热滥用诱发热失控进程的影响。结果表明,放电操作会加速热失控的进程,且放电功率越大,热失控越早发生,从不放电到166.4 W恒功率放电,安全阀打开时间缩短了23.4%,热失控触发时间缩短了5.6%;与此同时,四组放电工况由于放出部分能量,最终热失控的严重程度有所降低,放电工况下的热失控最高温度和最大温升速率比不放电工况最高分别下降了9.0%和53.3%;另外,放电操作会造成热失控过程中电压更大的波动,后续电压下降的时间窗口前移至开阀时间附近,这将更有利于利用电压变化对热失控进行预警。总体而言,放电操作在加速热失控进程的同时,降低了热失控最终的严重程度。本工作可对电化学储能电站的日常安全运营和电池管理系统设计提供参考。     

高镍三元锂离子电池火灾及气体爆炸危险性实验

高镍三元锂离子电池在电动车领域发展势头迅猛,但因为其能量密度高,在加热、过充、撞击等滥用条件下比其他已有电池更易发生严重的火灾爆炸事故,其推广应用需要进行更为严格的安全测试,本文针对NCM811锂电池进行了加热下的热失控实验,并设计了锂电池热失控气体收集装置,且对收集的电池气体进行配气完成了爆炸极限测试实验,得到0％、...     

Research of leaked toxics from Li-ion battery electrical heat triggering thermal runaway

为探究锂离子电池电热触发热失控过程,本工作在研究和建立电热触发锂离子电池热失控方法的基础上,对不同荷电状态下18650锂离子电池进行电热触发热失控,分析了电热触发18650锂离子电池热失控现象,对热失控过程中泄露的气体进行采集与分析。研究结果表明,电热方法可以触发18650锂离子的热失控,该热失控过程中会产生有毒气体,同时伴随浓烟和高温,防护不当将对人体和环境造成伤害。     

磷酸铁锂和三元锂电池外部过热条件下的热失控特性

锂离子电池已广泛应用于储能和电动汽车中,但由于其易燃性,存在火灾和爆炸的风险.本文以单体40 A·h三元锂和72 A·h磷酸铁锂电池为对象,采用不同位置外部过热研究其热失控特性.实验结果表明磷酸铁锂电池在外部过热条件下不会引燃,而三元锂电池会自发引燃和喷射;侧面加热比底部加热能更早进入热失控;通过传热分析得到40 A·...     

加热引发三元18650型锂离子电池组的燃烧特性

为研究动力锂电池组的燃烧特性,本工作以三元18650型锂离子电池组为研究对象,在受限空间中开展了加热引发电池组热失控实验,通过温度数据采集及高清摄像的方法,对不同受热位置和不同受热功率时的锂电池组的典型特征参数进行了试验研究,包括着火时间、火焰形态、临界热失控温度等,此外还开展了水雾灭火试验.结果表明:三元锂电池组热失控温度介于120～139℃,最大燃烧温度会随着热源功率的增大而增加,最高温度可达800℃.侧面过热时锂电池组燃烧剧烈程度会随着与热源距离的增加而减弱,出现多次断续复燃现象.相比侧面过热,锂电池组底面负极过热时燃烧程度更剧烈,电池会连续喷射燃烧,同时外部热源功率的增大会缩短着火时间并加剧燃烧强度.此时采用水雾对着火的锂电池组灭火,可以对燃烧中的锂电池组进行有效的抑火降温,使电池内部温度降低到临界温度以下,从而有效防止复燃.     

21700锂离子电池在不同健康状态下的热失控实验研究

开展锂离子电池热失控研究,可为提升电池热安全、减少新能源汽车热灾害等提供重要帮助。针对高比能21700型NCM811锂离子电池热滥用、老化等因素引起的热失控问题,通过实验研究了电池健康状态（state of health,SOH）对电池充放电特性及自身热失控行为的作用机制,量化分析了电池老化特性与热失控触发时间、表面温度、工作电压、燃爆特性、能量、TNT当量及破坏半径等特征参数。发现能量效率随着老化循环次数的增加而降低,电池热失控的温升幅度随SOH的减小而下降,同时其自产热起始温度、热失控触发温度与安全阀脱落温度均减小,这表明老化电池热失控触发所需的时间更短,60%SOH电池在608 s触发热失控,相比于100%SOH缩短了64.8%。SOH越小,电池热失控剧烈程度越弱,热失控后的质量损失也越小。电池热失控过程的峰值温度、释放的能量、TNT当量与破坏半径随SOH的减小而降低,表明老化电池较新鲜电池热失控破坏性降低。研究结果可为全生命周期21700电池热失控的行为特征分析、预警与火灾防控等提供参考。     

Recent progress on mechanism and detection of internal short circuit in lithium-ion batteries

锂离子电池内短路是锂离子电池热失控事故中最常见的诱因之一,也是机械滥用、电滥用、热滥用的共性环节,是潜在的安全威胁。本文从锂离子电池内短路安全问题出发,综述了内短路机理的研究进展,归纳了内短路替代实验方法,介绍了内短路演化过程,指出了内短路检测需在其发展初期和中期完成。进而,总结了多种内短路检测方法,最后,对内短路问题下一步研究进行了展望。     

过充循环对锂离子电池容量衰减及安全性影响北大核心CSCD

随着能源问题的出现,锂离子电池已成为人们关注的热点。本工作以18650型NCM811锂离子电池为研究对象,将电池过充至3个不同的截止电压(4.3 V、4.4 V、4.5 V)并循环一定的次数(180次)直到电池容量大幅度衰减,基于测试分析4.5 V过充循环电池的交流阻抗谱和容量增量曲线来定性和定量地研究电池容量衰减机理。研究发现活性锂离子的损失和活性材料的损失是电池容量衰减的主要原因,电池电导率的损失对电池容量衰减影响不大。通过绝热加速量热仪(adiabatic rate calorimeter,ARC)研究新电池,4.3 V、4.4 V和4.5 V过充循环电池在100%SOC下的热失控特征参数(自产热起始温度T_(1)、热失控触发温度T_(2)、热失控最高温度T_(3))。发现在热失控发生过程中,电池达到相同的温度时,4个电池的温升速率大小分别是新电池<4.3 V过充循环电池<4.4 V过充循环电池<4.5 V过充循环电池。电池在经过过充循环之后热稳定性变差。过充循环后,电池的自产热起始温度降低、热失控触发温度降低。     

基于正交试验的锂离子电池热失控仿真北大核心CSCD

锂离子电池热失控是由多种因素耦合而导致的结果,得到影响锂离子电池热失控影响因素的重要性程度对于提高电池安全性具有极大意义。对此,针对针刺导致的锂离子电池热失控,利用COMSOL软件仿真分析了不同针刺位置、速度、直径、SOC(state of charge)对锂离子电池单体针刺热失控影响,得到对单体电池热失控影响的重要因素。基于单体针刺热失控仿真结果,以4个锂离子电池单体组成的模组为研究对象,利用单因素仿真试验分析不同钢针直径R、电池SOC以及针刺电池个数N对电池模组热扩散影响;基于此,本文分析了针刺电池个数N、钢针直径R及电池SOC耦合作用热失控的正交试验。结果表明:相对于针刺位置、针刺速度对电池单体热失控影响,电池SOC和针刺直径R对电池单体热失控影响较为显著,且针刺直径R越小,单体电池热失控越剧烈;电池SOC越大,热失控时电池温度分布越不均匀;针刺直径R越大,模组热扩散需要时间越长;当SOC在100%~85%范围内时,模组内各电池单体的热失控最高温度变化较为明显;针刺电池个数N越大,模组热失控越剧烈,但位于模组中间位置的电池热失控最高温度有所降低。针刺电池个数N、SOC、针刺直径R对电池模组热失控温度和扩散时间的影响程度主次顺序为:N>R>SOC*R>SOC*N>N*R>SOC,其中,针刺电池个数N对电池模组热扩散影响最显著,且不同因素间的交互作用不容忽视。本工作为提高电池的安全性及电池设计提供了参考依据。     

锂离子电池及其材料热失控毒物研究

本文阐述了锂离子电池常规安全性问题和热失控引发燃烧爆炸泄漏毒物的非常规安全性问题,探讨了锂离子电池泄露物的毒性及其对人体和环境的危害,以电动车用锂离子电池为例分析了城市交通和环境将面临的继发问题和压力,定量对比了10 A·h软包装的磷酸铁锂、锰酸锂和三元材料锂离子电池热失控燃烧释放的代表性毒物之一的CO浓度,提出了锂离子电池热失控毒物安全性问题的不可回避性。     

Research on early warning system of lithium ion battery energy storage power station

研究锂离子电池储能电站消防预警技术对于储能系统的安全运行具有重要意义。本文通过对电池热失控及热扩散特征识别展开讨论,由于锂离子电池发生热失控时会伴随着可燃气体缓慢释放,如果能够提取电池热失控早期气体参数并对其进行研究分析,可以在此基础上建立电池系统的热失控预警机制。本文采用加热方式和过充方式诱发电池热失控气体提取试验,通过采气试验进行气体成分含量分析,确定了将一氧化碳和温度作为典型的侦测依据来实现锂电池热失控的早期预警。并将这种电池热失控早期预警判断应用到了储能电站消防预警系统中,同时结合多级预警及防护机制和安全联动策略做了深入研究,确定了锂离子电池储能电站消防预警系统的设计架构,从系统部件、联动通信、人员安全3个方面对系统设计做了简要说明,在保证快速有效的检测出电池热失控状态的同时快速联动消防设施,极大提高了储能系统运行的可靠性。     

Research of toxic productions from thermal runaway processes of Li-ion battery and materials

本文阐述了锂离子电池常规安全性问题和热失控引发燃烧爆炸泄漏毒物的非常规安全性问题,探讨了锂离子电池泄露物的毒性及其对人体和环境的危害,以电动车用锂离子电池为例分析了城市交通和环境将面临的继发问题和压力,定量对比了10 A·h软包装的磷酸铁锂、锰酸锂和三元材料锂离子电池热失控燃烧释放的代表性毒物之一的CO浓度,提出了锂离子电池热失控毒物安全性问题的不可回避性。     

动力电池在充电过程中的膨胀力特性

锂离子电池在发生热失控前会出现明显的体积膨胀,因此研究动力电池膨胀力的变化规律对于提升电池性能及安全性预警具有重要意义.本文以三元/石墨体系电池作为研究对象,探究了其在不同温度、不同倍率下充电时膨胀力的变化规律.动力电池在25℃充电时的膨胀力增加幅值较小,这是因为较低的环境温度使得锂离子堆积在石墨层表面,电池厚度增加,...