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。     

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。     

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。     

细水雾特性参数对锂离子电池组灭火效果的影响

为了研究不同特性参数细水雾抑制锂电池组火灾的效果,利用计算流体动力学模型和火灾动力学模拟程序对不同特性参数细水雾灭火效果进行了分析.采用锥形量热仪在50 kW/m2辐射热条件下和100％荷电状态下对锂离子电池进行燃烧试验,获取其热释放速率曲线,热释放速率峰值为9.23 kW.在试验获得参数的基础上以6个18650型锂电池建立火灾模型,利用火灾场模拟软件FDS对不同雾滴直径、雾动量和喷雾强度的细水雾的灭火过程进行数值模拟.定量分析熄灭锂离子电池火的细水雾相对适宜的条件范围,研究细水雾的特性参数对锂离子电池组灭火效果的影响.结果表明:在细水雾雾滴动能不变的情况下,随细水雾雾滴粒径增大,灭火时间先波动后增大,在细水雾粒径为50～100μm的工况下系统抑制锂离子电池火效果最佳,灭火时间最短,耗水量最少;水雾动量变化在一定区间内增加对锂电池灭火有增强效果,当雾滴速度足以穿越火焰时,增加水雾动量对灭火效果影响不大;在规定范围内喷雾强度越大,细水雾能够气化的数量越多,吸收的热量也越多,越有利于灭锂离子电池火灾.     

细水雾与隔热层协同对锂离子电池灾害传播抑制的研究

热失控是锂离子电池最严重的安全问题,一旦发生,极易在电池模组内传播,其释放的热量成倍增长后会导致严重的燃烧爆炸事故,严重阻碍了其在储能、电动汽车等行业的应用,因此需要可靠的方法来阻隔热失控在电池间的传播。目前主流的散热与隔热两种热失控抑制策略都存在不足,细水雾因其出色的冷却能力被首选为散热介质,因此有必要开展细水雾散热与隔热层隔热对电池模组内灾害传播协同抑制的有效性研究。以4块车用7 Ah方型动力三元锂离子电池为研究对象,对比分析了隔热层隔热、细水雾散热及其协同抑制三种策略对热失控传播抑制中的关键参数变化。结果表明：本实验中单纯的隔热或细水雾散热方法均无法完全阻断热失控蔓延,但协同抑制策略不仅能完全有效阻断,还可有效解决隔热板导致的聚热现象与细水雾冷却速率有限的问题,相邻电池的最高温度及最大温升速率控制在了132.4℃、0.35℃/s以下;同时,有毒气体CO、SO₂的浓度相比无抑制时分别下降约21%、30%。协同抑制的综合效果大于两者单独作用之和,本研究可为电池包内合理平衡隔热和散热之间的关系设计提供数据参考。     

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。     

典型锂离子电池火灾灭火试验研究

为研究不同灭火剂扑救锂离子电池火灾的有效性,以18650型钴酸锂锂离子电池为研究对象,开展了干粉、二氧化碳、水成膜泡沫灭火剂等不同灭火剂及细水雾扑救锂离子电池火灾的实体灭火试验.结果表明:二氧化碳、ABC干粉、3％的水成膜泡沫灭火剂均能有效扑灭18650型钴酸锂锂离子电池火灾的明火,但灭火后均出现复燃现象,出现复燃的时间与灭火剂的冷却能力成正比;而细水雾在灭火系统喷雾强度为2.0 L/(min·m2)、喷头安装高度为2.4m的条件下,无法有效抑制或扑灭18650型钴酸锂锂离子电池火灾.     

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。     

细水雾抑制18650型锂离子电池热失控实验研究

为研究细水雾灭火系统对18650型锂电池热失控的抑制效果,利用自设计实验平台进行抑爆实验,对比初爆与燃爆两个关键点及有无外部热源的温度变化图。研究表明,细水雾能够明显抑制18650型锂电池热失控,但施加细水雾的时间点对抑制效果影响较大,初爆后施加细水雾能够有效抑制,在燃爆后施加细水雾10s内温度降低200℃以上,但由于锂电池内部电解液复燃的特点,温度回升。温升速率的变化使得电池初爆的时间和温度分别提前了67.4%和44.4%,据此提出通过探测18650型锂电池初爆释放气体发现热失控发生并在最短时间内移除异常行为电池来控制电池热失控及其热量的异常传播。     

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。     

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。     

锂离子电池热失控危险性研究进展

锂离子电池广泛应用的同时也出现了燃烧、爆炸等安全问题.针对锂电池热失控及火灾问题,综述了电池内部热失控演变过程、热失控气体释放及其燃爆风险,以及热失控和火灾发生时有毒有害气体的危害性等方面近年来的研究进展.最后提出今后主要研究方向是电池模块/电池包内热失控气体释放和流动过程研究、气体爆炸危险性动态变化规律研究和大容量高比能富镍电池单体/模块热失控特性和规律研究等.     

高比能NCM动力电池热失控扩展安全阻隔技术

为有效控制高能量密度锂离子电池(LIBs)热失控扩展,提出一种复合阻隔技术。以软包镍钴锰(NCM) 811型(NCM811)电池为研究对象,分析现有锂离子电池热失控火灾防控方法及NCM811电池热失控特性,通过加热方式进行电池热失控特性试验,以确定表面温度和热失控触发时间之间的影响关系;通过以气凝胶、石棉、岩棉为代表的不同微结构尺寸材料的热阻隔试验,确定微结构尺寸与热阻隔特性的关系;通过不同厚度、层数的热阻隔试验,研究不同阻隔方案的热阻隔特性。研究表明:在进行毫米厚度级别的热阻隔时,阻隔板材料微结构尺寸越小(小于空气分子平均自由程70 nm),阻隔板越薄、层数越多,热阻隔效果越好。     

基于PyroSim的仓储锂离子电池火灾数值模拟研究

采用PyroSim软件模拟仓储锂离子电池热失控引起的火灾场景,分析了火灾点火源周围的温度变化、热释放速率、能见度变化和CO体积分数变化情况,并设置喷淋系统对其进行灭火效果的数值模拟研究。结果表明：仓储锂离子电池发生火灾后,在35 s时烟气蔓延至整个仓库,火场的最高温度可达1625℃,热释放速率最高可达81 607 k W/s,CO体积分数最大可达1.799Χ10-3。设置喷淋装置灭火后,锂离子电池燃烧所产生的烟气明显减少,点火源周围的温度也得到了控制,热释放速率最高为6.5 kW/s,达到灭火和防止火灾蔓延的目的,有效地抑制锂离子电池储存仓库火灾的发生。     

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。     

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.     

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.     

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。     

带自动灭火装置的车用锂电池箱盖系统开发与验证

基于主、被动安全相结合的思路,针对目前车载锂电池包热失控主动监测与预防措施存在的不足,开发一种带自动灭火装置的锂电池箱盖系统。通过燃烧试验测出单块三元锂电池及其主要组件的燃烧特性,得到相应的温度及热释放速率曲线;以此为基础,确定箱盖系统总体设计方案,并对火灾探测模块及灭火模块进行选型和设计;最后,结合Semenov热失控原理、传热学理论及GB50084—2017的设计要求,验证箱盖系统应用在某电动车锂电池箱中的灭火效果。结果表明:该箱盖系统能有效监测并扑灭锂电池包早期局部火灾,并持续冷却降温,防止火灾复燃,具有较强的市场推广潜力。     

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。