常见三元锂电池热失控过程分析

以三元锂电池模组为研究对象，在SOC为100%的条件下加热诱发热失控，结合视频分析和热流分析，总结不同型号三元锂电池热失控的过程规律。NCM111和NCM523电池在热失控过程中产生大量烟气，NCM622和NCM811电池在热失控过程中产生猛烈火焰。整个电池组热失控过程经历时间最长的是NCM111电池，最短的是NCM622电池，NCM523和NCM811电池在失控时间上具有一定的相似性。三元锂电池的辐射热流会出现多个峰值，其中NCM111、NCM523和NCM811电池都是第一个峰值最大，NCM622电池是最后一个峰值最大。在各电池组中，NCM622电池热流值峰值最大，约为328 kW/m²。     

受限空间环境压力对三元锂离子电池热失控影响*

为研究三元锂离子电池在空运低压环境中的安全性,通过自主设计搭建的封闭式变压实验舱开展相关实验,对不同荷电状态（SOC）下的三元锂离子电池在不同压力环境（101,80,60,40 kPa）下的热失控特性进行研究,采集电池热失控过程中的温度以及实验舱内的压力变化,并对热失控后实验舱内的气体成分进行分析。结果表明:三元锂离子电池热稳定性随着SOC的升高而下降,常压下100%SOC的电池热失控温度可达650.8 ℃,初始环境压力越低,相同SOC的电池热失控最高温度越低。随着环境压力的降低,相同SOC的电池在热失控后会生成更多CO,且电解液占比升高。研究结果可为锂离子电池空运安全性研究提供理论依据。     

不同加热功率触发锂离子电池热失控特性研究

针对目前频发的锂离子电池热失控事故,自主设计并搭建了圆柱形锂离子电池热失控实验平台,对不同加热功率触发的锂离子电池热失控过程进行了实验研究。数据结果表明,外在热源功率对锂离子电池热失控行为影响很大。锂离子电池热失控过程中响应温度随加热棒功率的升高而降低,而最高温度随加热棒功率的升高而升高。通过对不同加热功率触发锂离子电池热失控特性的研究,可为锂离子电池的储存和运输安全性研究提供理论依据和工程技术参考。     

锂离子电池组热失控蔓延热传递机制的影响研究

分析通风和电池组数量对电池组热失控发展蔓延热传递机制的影响。选择荷电状态(SOC)为100%的镍钴锰(NCM523)三元锂离子动力电池组作为研究对象,改变电池组底部外加热源的热流量和加热时间,利用多物理场仿真软件COMSOL,进行热滥用导致不同风速通风环境和不同电池数量电池组热失控过程的模拟。结果表明:随着风速不断增大,电池组和周围环境的对流换热损失增强,电池组热失控蔓延进程受到了有效抑制。受热传导模式的影响,电池组数量和排列方式不同,电池组热失控蔓延的路线不同。越靠近外部热源的电池,触发热失控越早,触发热失控的起始温度越高;电池组所含电池数量越多,触发电池组热失控所需的热流量越大,但第一块电池热失控以后,后续电池触发热失控的时间间隔急剧缩短,电池组热失控后果的严重度增加。     

不同荷电状态下三元锂离子电池针刺热失控试验研究

基于锂离子电池实际存储与应用的普遍性和危险性,利用自主设计并搭建的试验平台,分别对不同荷电状态(SOC)的锂离子电池进行了针刺热失控试验.利用直径5 mm的钨钢针触发圆柱形21700三元锂离子电池热失控,记录其试验现象,测定锂离子电池的温度、开路电压与质量等参数.结果表明:锂离子电池SOC越高,针刺时发生热失控的现象越剧烈,且当锂离子电池SOC高于60％时,电池各测温点的最高温度都在电池正极处,电池外表面的温度峰值均高于电池内部的温度峰值;随针刺的锂离子电池SOC增大,电池各测温点温度峰值升高,电池正极处到达峰值所需时间变短;不同荷电状态的锂离子电池在进行针刺试验后,两端开路电压掉落的时间点不同,电池SOC越高,开路电压掉落的时间越快,在发生针刺后三元锂离子电池安全阀能保护电池不发生明显热失控现象的最大SOC在60％左右;SOC越高的锂离子电池在发生热失控过程中电池损坏越严重,其质量损失率越大.     

惰性气体结合细水雾抑制锂离子电池燃烧试验研究

为研究锂离子电池热失控过程中的相关特性,在细水雾基础上加入惰性气体进行抑制锂离子电池火灾试验。选取荷电状态为0%、50%、100%的磷酸铁锂电池分别在空气、N_2、CO_2气体环境中研究热失控特性;在热失控研究基础上,利用细水雾喷射装置开展锂离子电池热失控灭火试验,对比分析锂离子电池热失控爆发时间、温度变化、灭火时间等参数。结果表明:锂离子电池热失控经历鼓包破阀、初期喷火、稳定燃烧、火焰衰减、火焰熄灭、火焰复燃阶段; N_2、CO_2均能降低锂离子电池燃烧温度,减弱爆炸强度,CO_2与纯水细水雾抑制锂离子电池燃烧效果优于N_2与纯水细水雾,证明惰性气体与细水雾对锂离子电池火灾的协同抑制作用。     

锂离子电池燃爆特征及空运安全性研究

为解决与锂离子电池热失控有关的空运安全问题,利用自主设计的锂电池火灾试验平台,对不同包装、数量及荷电状态(SOC)的18650型锂离子电池开展燃爆试验研究。观察锂离子电池热失控现象,进行阶段划分,研究锂离子电池热失控传播过程;记录不同条件下锂离子电池初爆响应时间、燃爆峰值温度及峰值温度持续时间,考察不同包装、数量及SOC对锂离子电池空运安全的影响。结果表明:锂离子电池燃烧可分为初爆和燃爆2个阶段,一节电池热失控可形成连锁燃烧反应;电池热稳定性随SOC增大而显著降低;空运电池数量严重影响空运安全;用瓦楞纸包装时,燃爆峰值温度高达820℃,不能提高锂离子电池安全性。     

航空压力环境对锂离子电池热解气体爆炸极限影响*

针对航空锂离子电池热失控释放气体安全性研究不足的问题,采用气体拉曼光谱技术、气相色谱仪(Gas Chromatography,GC)和质谱(Mass Spectroscopy,MS)耦合来探究压力和荷电状态(State of Charge,SOC)对锂离子电池早期故障气体类型、气体动态演变及气体潜在危险性等特征的影响规律,同时综合考虑压力、电压和电池温度等多种因素分析锂离子电池热失控危害。研究结果表明:电池SOC越高且环境压力越低,电池越早触发热失控,爆炸极限越宽,其中30 kPa下100%SOC电池热解气体爆炸极限为8.01%~53.35%;SOC和环境压力越高,电池热失控越危险,释放的气体体积越多;CO,CO2,PF3,C2H4及电解液（C3H6O2、C3H6O3、C4H8O2）等气体可作为航空锂离子电池早期故障诊断特征。研究结果对保障锂离子电池在航空领域的安全运输及应用具有重要意义。     

高温环境下18650型锂离子电池热失控过程的数值分析

采用ANSYS对高温条件下铜棒代替锂离子电池的空白试验进行数值模拟,获得拟合的陶瓷化纤棉毯的比热容;然后对18650型锂离子电池的热响应进行模拟,通过模拟结果与试验数据的比较分析,获得锂离子电池内部的反应放热量;最后应用得出的陶瓷化纤棉毯比热容和化学反应热对高温环境下18650型锂离子电池的热失控进行模拟,研究18650型锂离子电池热失控的变化规律.结果表明:20W加热条件下,锂离子电池的放热反应热为30 kJ;锂离子电池在加热1 287 s后发生热失控,热失控持续113 s后锂离子电池温度达最高,之后开始缓慢减小;锂离子电池热失控温度为500 K,热失控前温度几乎是线性增加,之后热失控导致温度迅速增加(呈指数倍增长);锂离子电池保温材料陶瓷化纤棉毯的温度变化是非线性的.     

低压细水雾系统扑救锂电池箱火灾的试验研究北大核心CSCD

为了提升动力锂离子电池系统的安全性,除了一些常规保护措施(电池冷却、电量监测、过热报警等)外,增加抑制锂离子电池早期热失控及火灾的防护系统也是必要的。针对某型电动客车锂离子电池箱的50 Ah三元锂离子电池,开展了锂离子电池单体火灾试验、锂离子电池箱火灾抑制试验及锂离子电池早期热失控抑制试验,验证低压细水雾灭火系统对于锂离子电池箱热失控安全防护的效果。结果表明,该类型三元锂离子在800 W功率的加热下,会瞬间发生爆燃,燃烧时间为69 s。低压细水雾系统成功实现了对动力锂离子电池箱内火灾及单颗锂离子电池早期热失控的抑制。在锂离子电池火灾及早期热失控抑制的过程中,均未观察到复燃及模组间热失控的传播。     

细水雾对锂离子电池热失控抑制作用的实验研究

为研究细水雾对锂离子电池热失控的抑制作用,利用自设计细水雾实验装置对18650型锂离子电池热失控进行抑制实验,对比两节电池依次燃爆和不同阶段使用细水雾的温度曲线。研究表明,细水雾对于抑制锂离子电池热失控有效,但不同热失控阶段细水雾抑温效果差异较大,结合锂离子电池多米诺效应和机载灭火设备适航性要求,应尽可能将细水雾喷雾时间节点靠近初次爆炸的时间节点。提出通过准确探测初次爆炸发生和进一步增强细水雾抑制作用来控制锂离子电池热失控及多米诺效应的发生和传播。     

不同环境体系下锂离子电池热失控特性实验研究

针对锂离子电池热失控引发的航空运输安全问题,自主设计并搭建锂离子电池热失控灾害演化及危险性分析实验平台。在敞开和密封环境体系下,对电加热触发荷电量(State of Charge,SOC)为0%、50%和100%的18650型锂离子电池热失控规律进行了实验研究。观察单体锂离子电池在敞开和密封体系中的热失控现象,并记录单体锂离子电池热失控时间、温度峰值及相应的温度变化。数据结果显示,相比敞开体系,密封体系有效的延缓了锂离子电池发生热失控的时间,并降低了锂离子热失控时释放的能量,为锂离子电池的航空运输安全性研究提供了理论依据和工程技术参考。     

不同外热部位下18650型锂离子电池热失控研究

为探究不同外热部位对18650型锂离子电池热失控特性的影响,通过自主设计的试验平台对电荷量为100%的18650型锂离子电池开展不同外热部位下热失控试验,探讨不同部位外热源对电池热失控行为过程、热失控响应时间、温度特性、电池破裂部位的影响。结果表明:在相同热源功率条件下,外热源位置对电池热失控过程中初爆与二次燃爆间的时间间隔存在影响,顶部加热时安全阀打开瞬间便发生二次燃爆,底部和中部加热工况下,时间间隔分别延迟至18 s和40 s;中部加热时池体温升速率最慢,为0.873℃/s,分别为顶部和底部加热时的77.5%和77.8%;中部加热时热失控响应时间最长达290 s,顶部和底部加热时分别缩短12.4%和30.0%;顶部和底部加热时,热失控破裂部位集中于顶部"褶皱处"和底部防爆阀,但在中部加热工况下,电池发生破裂部位的随机性增加,其外壳破坏程度也有增加。     

模组箱体空间内磷酸铁锂电池热失控及其传播行为研究

为了探究储能用锂离子电池在真实应用场景下的热失控及其传播行为特征,选用86Ah方形磷酸铁锂(LiFePO4)电池,对其在热滥用触发方式下的热失控行为及模组箱体空间与开放空间中的传播行为规律进行了实验研究。单体实验结果表明,电池热失控产生的高温烟气会导致模组箱体内沿高度方向出现明显温度梯度,模组底部与顶部温度测点的最大温差达118.4 ℃。传播实验结果表明,模组箱体空间内热失控电池通过产气及喷出高温电解液向其他电池传热,在热失控电池影响下,模组箱体空间内3块电池上表面所能达到的最高温度均高于开放空间实验12 ℃~150 ℃,模组空间内热失控电池向同侧两块电池的传热量高于开放空间实验225 kJ和44.4 kJ。但箱体环境中有限的氧气供给会减缓电池在热失控时的内部放热反应进程,模组箱体空间实验中电池热失控峰值温度较开放空间实验低33 ℃~145 ℃,并且模组箱体空间实验中热失控完全传播所用时间较开放空间实验滞后213 s。研究结果对于锂离子电池模组的安全设计和热失控传播阻隔具有一定的参考价值与指导意义。     

太空环境下锂离子电池热失控与火灾的研究展望

综述了锂离子电池的热失控机理,介绍了由于电池内部电解液、电池隔膜和电极材料分解的链式热反应过程而引发的热失控和火灾现象。同时,讨论了锂离子电池在微重力太空环境中可能产生的烟黑浓度倍增,加速火蔓延,火焰喷射等极端火行为。进而探讨了开展锂离子电池的低压、落塔和抛物飞行等地面实验模拟太空微重力燃烧的方法可行性,建立数值模型预测太空微重力环境下锂离子电池热失控临界条件与火灾行为的必要性,以及如何通过基础研究科学地指导空间站电池热管理和消防系统的设计。     

低压环境下新型清洁灭火剂抑灭锂离子电池火试验

为研究可替代哈龙的新型气体灭火剂2-溴-3,3,3三氟丙烯(2-BTP)抑制和扑灭航空货运锂离子电池火的有效性,基于动压变温试验舱和灭火系统开展试验。在80k Pa、60 k Pa和40 k Pa低压环境下对100%电量的21700锂离子电池用加热棒进行加热并引发其热失控,同时启动灭火系统释放灭火剂。在试验过程中实时采集记录锂离子电池的温度、热失控现象,以及舱内环境空气中CO体积分数的变化。结果表明,2-BTP灭火剂在低压环境下能有效扑灭锂离子电池火且无复燃,减少CO的生成量,同时能够抑制相邻锂离子电池间的热传播,从而阻止连锁热失控。     

水凝胶灭火剂对磷酸铁锂电池组灭火效能研究

为探索针对磷酸铁锂电池组热失控行为的高效灭火剂，搭建锂电池燃烧-抑制试验平台，选取27 Ah磷酸铁锂电池组，以300 W外部热源过热诱发电池热失控至起火。在水阻断磷酸铁锂电池热失控行为试验基础上，开展水凝胶灭火剂对磷酸铁锂电池组热失控行为阻断效果试验研究，对比分析锂离子电池组热失控爆发时间、温度变化速率等参数。结果表明：水对锂电池组冷却深度不足且利用率不高，无法有效阻断电池组间热失控传播。水凝胶灭火剂可快速扑灭明火，结束喷放后电池表面温度始终低于热失控临界温度，可有效阻断电池组热失控行为。灭火剂喷放速率越大，阻止电池组热失控传播越明显，大流量的水凝胶灭火剂可完全阻止热失控在电池组单体间传播。     

相变材料填充率影响锂电池组热失控传播特性的实验研究

复合相变材料(PCM)应用于锂电池组的热管理是当前研究的热点。然而,PCM对锂电池组热失控传播特性的影响规律仍不甚明晰。实验研究了不同PCM填充率对锂电池组的影响,分析其热失控触发时间、最高温度、质量损失和热释放速率等参数变化规律。结果发现,添加PCM后,电池表面温度、CO和SO2浓度均出现了不同程度的降低,但对热释放速率没有明显的影响。PCM填充率为0%和10%的电池组均发生了热失控传播,而30%、50%、100%的PCM填充率能有效阻隔热失控传播的发生。     

锂离子电池热解气体爆炸极限测定及其危险性分析

为定量研究锂离子电池热失控的危险性,利用锂离子电池在滥用条件下释放气体的种类及体积分数,计算锂离子电池热解气体爆炸极限并研究锂电池荷电状态对热解气体爆炸极限的影响。结果表明:在一定热失控条件下锂离子电池荷电状态为100%时其热解气爆炸下限为6.22%,上限为38.4%,在相同热失控条件下,锂离子电池热解气体的爆炸极限范围随着荷电状态的升高而增大,锂电池的荷电状态对热解气体的爆炸上限影响较大而对爆炸下限影响较小。在相似条件下,锂离子电池热解气体的爆炸极限范围比普通烃类气体大,一旦锂电池发生热失控会对锂离子电池运输造成潜在威胁。     

液氮抑制外部加热和过充锂电池模组热失控

为抑制锂离子电池模组的热失控传播，构建液氮(LN)对热失控的抑制试验系统，揭示在外部加热和过充条件下，LN对锂离子电池模组热失控传播的抑制作用。结果表明：外部加热条件下，热失控自紧贴加热板的电池向两侧传播，共6块热失控电池；同条件下，注氮后热失控电池温度降低超过100℃,峰值温度降低70℃以上，LN冷却效率为42.9%,有效利用率为4.1%,热失控剧烈程度降低，传播被阻断；改变加热板位置使LN不直接接触热失控电池时，LN的冷却效率为18.3%,有效利用率仅为2.1%,远低于接触组，且热失控电池回温至207℃,LN不能终止电池热失控进程，LN直接接触热失控电池时达到最佳抑制效果。过充条件下，电池模组内共7块热失控电池，峰值温度均超过345℃;注氮组无热失控电池，电池峰值温度为127.4℃,LN冷却效率为41.7%,在电池模组压降时注氮可防止热失控发生。