过充、过热及其共同作用下车用三元锂离子电池热失控特性北大核心CSCD

锂离子电池作为目前电动汽车的主要能源电池,其在外界滥用条件下的热失控问题受到广泛关注,研究不同滥用下尤其是多种滥用共同作用下的电池热失控特性可有效提高电池使用安全性。本工作以车用50 Ah方型动力三元锂离子电池单体作为研究对象,利用大功率充放电循环仪和电加热装置,进行了1 C倍率过充、150 W局部过热及其共同作用下的电池热失控实验。对不同工况下热失控实验现象、质量损失、温度变化、升温速率变化、升温部位和电压变化等实验结果进行对比分析,结果表明:过充过热共同作用下电池热失控具有更大危险性,电池热失控时间比单一滥用减少约35%,热失控时电池SOC比过充减小约35%,电池电压会出现“持续上升—突降至零”现象。本研究可为车用三元锂离子电池热管理系统安全设计提供参考。     

磷酸铁锂离子电池模组热失控气体扩散仿真

为研究磷酸铁锂离子电池在泄压阀打开之后,释放的气体在模组中扩散行为,本文基于实际100％SOC磷酸铁锂离子电池模组尺寸建立1:1几何模型,模拟电池模组内部电池发生热失控、泄压阀打开及释放气体的扩散行为;通过FDS软件对其进行仿真研究,分析磷酸铁锂离子电池在热失控时释放H2、CO、CH4和CO2气体的扩散规律.研究结果表...     

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。     

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...     

磷酸铁锂电池火灾危险性

由于稳定性好、可靠性高等优点,近年来磷酸铁锂电池在储能和变电系统中得到大量应用.为研究大容量磷酸铁锂电池的火灾危险性,通过自主设计的锂离子电池火灾测试平台,开展了 228 A-h磷酸铁锂电池的热滥用测试,系统研究了该大型电池的燃烧过程及产热规律,对比分析了不同荷电状态(SOC)下目标电池的火灾特性.结果表明电池的燃烧行...     

动力电池热失控排气策略

为研究车用锂离子电池热失控后喷射气体的扩散过程,特选取CONVERGE的CFD代码对100%SOC状态下,方形三元锂离子电池做热失控电芯气体喷射仿真。采用示踪粒子标记法,分析了四种方案下热失控气体在电池包内部的扩散规律、堆积情况和电池包排气口处气体质量流量特性。研究结果表明：热失控气体喷射4.3 s时将扩散至箱体顶部,在顶部产生气体堆积后,再逐渐向四周散开,最快22.3 s气体就能扩散至整个箱体上半部分;箱体上排气口的设置会影响气体在电池包内部的扩散和堆积,比较四种方案发现,将排气口设置在箱体上半部分,并增加排气口数量,有助于气体排出电池包,减少内部气体堆积;仅依靠排气口无法将箱体内热失控气体全部排出,在电池包内部角落处可以观测到明显的气体堆积现象。     

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.     

储能用大容量磷酸铁锂电池热失控行为及燃爆传播特性

随着电化学储能应用规模的持续扩大,使用锂离子电池的电化学储能电站火灾燃爆事故时有发生,引发社会的广泛关注。锂离子电池的安全性是影响储能电站安全的重要因素,分析储能用锂离子电池的热失控行为及燃爆特性是有效防控储能电站火灾事故的关键。本工作选用储能用280 Ah磷酸铁锂电池为研究对象,基于锂离子电池热失控及产气分析测试平台,采用加热方式触发电池热失控,分析其产热、质量损失以及产气特性。进一步采用傅里叶变换红外光谱仪以及氢气传感器测量热失控过程产气成分,通过卷积分析得到气体组分占比,其中氢气和二氧化碳分别占36.8%和44.2%。通过FLACS软件建立电池储能液冷舱1∶1模型,分析了不同条件下磷酸铁锂电池产气发生燃爆的动压及火焰危害范围。研究发现,在电池储能舱内发生的燃爆行为受到舱室内部泄压开启压力和周边障碍物的影响,而其中当舱门开启压力从10 kPa增长到100 kPa时,爆炸超压峰值增长为2.15倍。该研究可为储能电站锂离子电池火灾事故预警、集装箱结构和防爆设计提供参考。     

Thermal runaway behavior and features of LiFePO4/graphite aged batteries under overcharge

In this paper, the overcharge tests of 25 Ah LiFePO₄/graphite batteries are conducted in an open environment and the overcharge-to-thermal-runaway characteristics are studied. The effects of current rates (C-rates: 2C, 1C, 0.5C, and 0.3C) and states of health (SOHs: 100%, 80%, 70%, and 60%) on thermal runaway features are discussed in detail. The overcharge process can be summarized into five stages based on the experimental phenomena (C-rate ≥ 1 and SOH ≥ 80%): expansion, fast venting after safety valve rupture, slow venting, intense jet smoke, and explosion, while the battery cannot explode at lower C-rates and SOHs. The maximum pressure increases with the increase in C-rate or SOH. There are five obvious inflection points in the voltage curve during overcharge process. The V₁ (point B) of aged battery, corresponding to lithium plating on the anode, changes little with C-rates. It is slightly lower than that of the new battery. A sharp drop in voltage (point E) is probably due to the internal short circuit (ISC), caused by the local melting and rupture of the separator. It takes more than 2 minutes from the moment of ISC to thermal runaway regardless of the SOH, indicating that there are a few minutes to take safety measures if the voltage is an indication parameter. The onset temperature of thermal runaway decreases first and then increases as the SOH decreases from 100% to 60% during 1C constant overcharge tests. These results can provide guidance for the thermal management of the whole battery life cycle and the reuse of retired batteries.     

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。     

Experimental researches on thermal runaway in cylindrical LiFePO4 batteries during nail penetration

锂离子电池在发生针刺之后会造成内部短路,进而产生大量热量和浓烟以至引发热失控。本文通过模拟实验剖析圆柱型磷酸铁锂电池针刺后的内部结构,结合理论分析探究针刺热失控产热机理。以自行设计搭建的磷酸铁锂电池针刺热失控实验平台为基础,在初始20℃室温下采用Φ5 mm的钨钢针刺穿电池,观测电池的热失控发展情况以及电池电压、表面温升变化规律。根据实验结果得到以下结论：①针刺对圆柱型磷酸铁锂电池造成的热失控剧烈情况带有随机性;②电池电压在针刺后下降至0V,若破坏过程中电池内部热反应气体泄漏甚至发生爆炸则电压下降更迅速;③电池温度在被刺破后迅速上升,其温升趋势总体随破坏程度增加而加快。综合来看,针刺对磷酸铁锂电池的损坏是不可逆且通常会并发热失控,因此建议在设计电池结构时应当充分考虑防针刺及对电池进行额外保护。     

Study on the characteristics of second life LiFePO4 batteries

随着电动汽车的快速发展,未来将有大量的动力电池退役,这些淘汰下来的电池仍有可观的剩余容量和寿命,可以在静态储能等领域实现梯次利用。为了提高安全性和输出性能,淘汰下来的动力电池需要在筛选之后重新串、并联成组使用。以二次利用磷酸铁锂动力电池为研究对象,研究在单体电池内阻不一致、剩余容量不一致、初始SOC不一致等情形下,电池组的并联特性,即并联电池组中各电池直流阻抗、电流不平衡度的变化情况。对于实现磷酸铁锂动力电池的梯次利用具有指导意义。     

Thermal runaway inhibitors for lithium battery electrolytes

Flame retardancy in lithium-ion battery electrolytes has been significantly improved by the use of several new aromatic phosphorus-containing esters, which markedly suppress thermal runaway. The identification, preparation, and properties of these thermal runaway inhibitors (TRIs) are described. When used as an additive (2–5%) to the standard battery electrolyte system, these materials improve safety by preventing potential fire and explosion. The effects of these esters on electrochemical and thermal stabilities, ionic conductivity, and electrochemical cycling are presented.     

Effect of synthesis conditions on the properties of LiFePO4 for secondary lithium batteries

LiFePO₄ is one of the promising materials for cathode of secondary lithium batteries due to its high energy density, low cost, environmental friendliness and safety. However, LiFePO₄ has very poor electronic conductivity (∼10⁻⁹ S cm⁻¹) and Li-ion diffusion coefficient (∼1.8 × 10⁻¹⁴ cm² s⁻¹) at room temperature. In an attempt to improve electrochemical properties, Li_XFePO₄ with various amounts of Li contents were investigated in this study. Li_XFePO₄ (X = 0.7–1.1) samples were synthesized by solid-state reaction. High resolution X-ray diffraction, Rietveld analysis, BET, scanning electron microscopy, and hall effect measurement system were used to characterize these samples. Electronic conductivities of the samples with Li-deficient and Li-excess in Li_xFePO₄ were 10⁻³ to 10⁻¹ S cm⁻¹. Discharge capacities and rate capabilities of the samples with Li-deficient and Li-excess in Li_XFePO₄ were higher than those of stoichiometric LiFePO₄ sample. Li_0.9FePO₄ samples fired at 700 °C had discharge capacity of 156 and 140 mAh g⁻¹ at 0.1 C- and 2 C-rate, respectively.     

Thermal runaway propagation mitigation of lithium ion battery by epoxy resin board

动力电池热失控扩展阻隔是抑制大规模电池火灾的重要途径。本文采用环氧树脂板（ERB）阻隔锂离子电池的热失控扩展,分析不同厚度ERB对串联及并联模组的热失控阻隔作用。结果表明,ERB可降低热失控电池模组的最高温度,减轻电池热失控剧烈程度,避免喷射火焰的产生;对于并联的电池模组,采用2 mmERB的锂电池模组的电池间热失控扩展平均时间间隔为198 s,为无ERB时的2.29倍,采用4 mm ERB时平均时间间隔延长至无ERB时的5.57倍;对于串联的电池模组,采用2 mm ERB时电池热失控扩展平均时间间隔延长至无ERB锂电池模组的2.09倍,采用4 mm ERB时可完全阻止热失控扩展;研究发现并联的电池模组相对于串联模组更容易扩展,其原因为并联模组单个电池热失控时会形成电回路并产生焦耳热。     

Testing of the performance and energy-storage applied for retired LiFePO4 batteries

针对某电动公交车退役LiFePO₄动力电池,测试了电池的容量、直流内阻、常温下的储存性能,进而测试电池的倍率充放电性能、高低温特性和循环性能,分析了新旧电池相关参数的差异及变化规律;在此基础上,重组电池模组,测试其循环性能;最后集成了1MW·h梯次利用电池储能系统并参与风电平滑。结果显示,该动力电池容量衰退初始容量75%左右时,直流内阻只有小幅增加,电池常温下的储存性能、倍率性能、高低温性能下降不显著,电池单体和模块的循环性能良好,显示出该退役LiFePO₄电池具有较好的梯次利用价值。