锂离子电池火灾危险性研究

为解决锂离子电池在应用、运输中的火灾安全问题,并为锂离子电池火灾扑灭技术研究提供支撑,以钴酸锂18650型及大容量的聚合物锂离子电池为研究对象,通过开展针刺、短路、耐热等滥用试验寻求锂离子电池及电池组引发火灾的条件和因素。通过开展燃烧试验,分析锂离子电池的燃烧特点。试验结果表明:正极材料为钴酸锂的18650型锂离子电池自燃温度约为170℃,大容量的聚合物锂离子电池组在内部短路后,可能发生燃烧甚至轰燃现象且燃烧残留物温度高,易引发火灾;18650型锂离子电池在短路条件下会长时间持续放热,存在引发火灾的可能;单只锂离子电池燃烧后能够引燃相邻的电池,从而形成电池组的连锁燃烧反应。     

电气火灾一次短路熔痕金相组织特征参数定量分析

电气火灾一次短路熔痕鉴别和判定对分析火灾原因和事故认定至关重要,而目前金相分析方法目前处于经验和半经验水平,缺乏定量分析手段.本文开展不同电流条件下(100A至300A,间隔为20A)铜导线一次短路模拟实验,制作相应短路熔痕金相图谱.同时引入描述金相组织特征参数,基于Image - ProPlus应用数字图像处理技术提取图谱的金相组织特征参数量化指标,讨论金相组织晶粒和孔洞尺寸变化的特点,实现金相微观组织特征参数和电流之间的关系数据对比分析,探讨一次短路熔痕金相组织的量化判据和变化规律.     

18650型锂离子电池燃烧特性及火灾危险性评估

为评估18650型锂离子电池的火灾危险性,以3种不同品牌的商品三元18650型锂离子电池为研究对象,采用锥形量热仪在不同辐射热和荷电状态下对3种电池进行了燃烧试验,分析了电池的热释放参数、烟参数、毒性参数和质量损失参数。并在试验的基础上构建了锂离子电池火灾危险性综合评估指标体系,计算了这3种电池在辐射热35kW/m^2及品牌1的18650型锂离子电池在25 kW/m^2条件下的火灾危险指数。结果表明:电池的热参数和毒性参数随电池荷电状态(SOC)和辐射热增大而增大,满电状态下的品牌1电池在辐射热为50 kW/m^2、35 kW/m^2和25 kW/m^2时的热释放速率峰值分别为9.23 kW、8.64 kW和6.26 kW;生烟量随电池SOC和辐射热增大而减小;综合评估得出了3种电池的火灾危险性。     

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。     

ZR-BV单芯铜线过电流故障电弧熔痕特征研究

为准确认定电气火灾事故中的过电流故障,模拟在不同电流条件下ZR-BV单芯铜线的过电流故障,通过逐帧分析高速影像研究导线发生过电流故障时的变化过程,使用金相分析技术分类研究过电流导线电弧熔化痕迹的组织特征。结果表明:当I≥4Ie时,导线发生熔断,断路电弧将引燃热分解后的绝缘热解气体,造成火灾的蔓延扩大;过电流导线电弧熔断痕与火烧熔痕的宏观特征较为相似,但喷溅熔痕和发散状熔痕是过电流导线所特有的;枝晶偏析组织是过电流电弧熔断痕的典型组织,且随着电流值的升高,枝晶偏析组织分布范围明显扩大,几乎不再出现等轴状组织。     

电动汽车锂离子电池组火灾数值模拟研究

为了探究电动汽车火灾危险性，利用FDS软件建立锂离子电池火灾模型，并对电动汽车锂离子电池组火灾进行数值模拟研究，分析火灾过程中的热释放速率、烟气、能见度、温度、CO和CO2浓度变化规律。研究结果表明:电动汽车内锂离子电池组火灾发展迅速，其烟气、高温、CO等危害影响车内人员的安全；车辆内部锂离子电池组的数量决定其火灾危险性的大小，大电池容量电动汽车火灾风险较高；当电动大巴车后端电池组发生火灾时，人员后门逃离的安全性系数高于前门；电动汽车火灾可能发生蔓延，增大车辆密集型区域的消防安全难度。该模拟结果可为电动汽车消防提供参考。     

低压环境对锂电池热失控释放温度影响

为研究锂电池在民航飞行低压特殊环境的安全性及发生热失控灾害后的高温危险性,通过可模拟飞行变动条件的动压变温实验舱开展系列实验,研究锂电池在不同低压环境下的（101,60,30 kPa）多节18650型锂离子电池热失控温度特性,采集电池池体温度及热失控喷射释放温度等参数。研究结果表明:随环境压力降低,圆柱锂电池间的热失控传播并不能被阻断,但锂电池热失控灾害所释放产生的高温区域减少,且高温持续时间变短,释放所产生温度的高温危险性随环境压力的降低而有所降低。     

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.     

锂离子电动汽车火灾危险性与应急救援研究

结合国内外对锂离子电动汽车火灾危险性与应急救援的研究情况,分析了锂离子电动汽车内外火灾危险性因素,尤其是根据目前电动汽车采用的电池组材料和工艺特性,分析了其在过充、外短路、高温、超压、机械冲击等外冲击条件下的火灾危险性。根据热失控情况下各组件的热释放速率和生烟量等数据,对该类火灾应急救援方面问题进行了讨论,为该类型电动汽车应急救援研究及相关标准制订提供参考。     

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。     

锂离子电池组件燃烧性及危险性评价

为评估锂离子电池火灾危险,以常见的磷酸铁锂电池、锰酸锂电池和三元电池为研究对象,采用锥形量热仪技术分析这3种锂离子电池关键组件(含电解液的隔膜、正极片、负极片)的燃烧性和生烟性。通过层次分析法(AHP),构建锂离子电池火灾风险评价指标体系。基于试验数据,计算这3种锂离子电池火灾危险指数。结果表明,影响电池燃烧行为的主要因素是石墨负极和隔膜,烟气的主要来源是隔膜的不完全燃烧。用AHP法计算出的锂离子电池火灾危险指数表明,锂离子电池火灾的主要危险源是隔膜,其次是负极、正极。     

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。     

单芯铜线过电流故障电弧熔痕的微观特征研究*

为准确认定电气火灾中过电流故障，模拟4~7倍额定电流（Ie）条件下单芯铜导线过电流故障，利用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）分析过电流故障电弧熔痕的组织特征，并结合Image-Pro Plus软件测定晶粒直径、周长和面积，探究金相组织的量化判据和变化规律。结果表明:当I＝4Ie时，过电流故障电弧熔痕的金相组织主要为方向性较强的树枝晶；当I＝5Ie，6Ie时，金相组织内树枝晶占比减小，胞状晶占比升高；当I＝7Ie时，方向性较弱的胞状晶占主导。随着电流增加，晶粒的平均直径、周长和面积均呈增长趋势。通过火灾案例分析可知，实验结果与现场的电弧熔痕组织特征基本相符，验证火灾事故原因为过电流故障。     

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。     

消防射水对导线火烧熔痕金相组织的影响

模拟火灾现场,制作不同线径铜导线的火烧熔珠,然后在不同温度下对熔珠进行冷却.利用金相显微镜对火烧熔珠的金相组织进行观察,发现铜导线火烧熔痕在不同温度下经消防射水冷却后,会出现类似一次短路和二次短路熔痕的金相组织.     

基于Bayes判别模型的火场中铜导线短路熔痕 定量金相鉴定方法研究

借助计算机图像处理技术,改进了定量金相分析方法,测量了20个一次短路熔痕和20个二次短路熔痕的金相组织,对数据进行了主成分分析,提炼出了晶粒特征因子、气孔特征因子和复合因子三个主成分,基于Bayes判别法建立了火场中短路熔痕定量金相分析判别模型,经自身检验和交互检验,准确率均高于80%,充分满足鉴定要求,为更加有效地应用定量金相法鉴别短路熔痕提供了理论依据。     

基于Matlab的短路熔痕凝固过程中熔体温度测算方法*

为解决无法对瞬时凝固的熔痕高温熔体进行测温，从而致使火灾物证鉴定界对短路熔痕组织形成规律无法达成共识的问题，使用高速摄像机采集熔痕形成时熔体的彩色影像，运用Matlab图像色温识别技术，对熔体凝固时的色彩变化进行识别与分析，从而建立测算短路熔痕凝固速率的方法。结果表明:该方法的平均标准差为9.63，标准不确定度为2.55 K，计算结果满足测试要求；在测算的10个熔痕中，灭弧瞬间熔体温度为1 734.03~2 759.15 K，初始冷却速率为-255.16~-86.61 K/ms，凝固时长为46.45~87.99 ms；灭弧时熔体温度与初始冷却速率呈近似正相关关系，与熔痕体积无关。通过此方法测算短路发生时高温熔体的温度变化，可为研究短路故障迸溅熔痕引燃、熔痕组织变化规律提供方法支持。     

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.     

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.     

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。