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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

基于火探管式的锂离子电池灭火技术研究

为研究锂离子电池灭火方案,基于火探管灭火技术同时利用新型清洁灭火剂Novec 1230,组装成火探管灭火系统。在灭火测试平台上以功率为200 W的电热管作为外热源引发单电池或电池模组热失控,通过改变火探管的布置位置,记录相应的灭火行为以及灭火效率,并对实验结果进行了分析。研究结果表明,当火探管灭火系统直接布置在电池正上方时,在起火后的5.6s内控制火情;随着灭火剂用量增加可以显著降低体系温度,防止电池复燃以及连锁热失控现象发生;火探管有效覆盖区域外的失控电池作为热源将继续加热临近电池,引发连锁热失控,造成灭火系统失效;根据电池热失控后的燃烧行为以及传热行为,提出相应的火探管灭火系统复合方案。     

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。     

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.     

放电条件下锂离子电池热行为的研究

锂离子电池在生产生活中扮演着重要角色,为了对其热性能有更全面的了解,对锂离子电池放电条件下的热行为进行了探究。通过采集表面温度、电压、热释放速率等参数后对比发现,在可逆热与不可逆热的作用下,电池放电过程中存在明显的升温。此外,放电处理将导致电池出现更为明显的升温情况,更早发生热失控。最后,经过放电处理的锂电池在外加热源作用进而发生失控的实验过程中有着更剧烈的热失控行为,并最终释放较少的热量。     

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。     

Lower explosion limit of the vented gases from Li-ion batteries thermal runaway in high temperature condition

The thermal runaway of lithium-ion battery (or Li-ion battery, LIB) results in scrap of battery and fire, with the toxic and flammable gases generated. In this work, a self-made device was to collect gases from LIB thermal runaway, when the batteries were under different states of charge (SOC), temperatures of the environment and powers of external heating. Three samples of the collected gases were analyzed to get the results of the composition and content by chromatography-mass spectrometry system (GC-MS). The lower explosion limits (LELs) of the gases was tested by FRTA explosion limit instrument. And then the LEL of three analyzed samples whose composition and content were known by GC-MS were calculated via theoretical formulas. The calculated LELs were compared with those of the instrument test. The errors of the two results of three samples are 2.1%, 1.9%, and 0.4%. The Le Chatelier Formula and empirical formula provide a way to evaluate the LEL of the battery runaway gas more quickly.     

动力电池热失控引发电动汽车火灾的典型特征研究

为深入研究电动汽车火灾特点，基于电动汽车整车燃烧实验平台进行整车燃烧实验，探讨电动汽车动力电池热失控引发火灾的燃烧蔓延特征、烟气蔓延特征和典型痕迹特征。结果表明:热失控引发的电动汽车火灾燃烧过程由底盘向车头和车尾蔓延，烟气火焰通过底板处的空隙进入乘员舱，烟气浓度短时间内便可使车内乘员丧命；整车烧损痕迹呈现两头重中间轻的特征，电池模组及单体呈现向早期热失控模组或单体挤压变形的痕迹。     

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。     

低压环境下不同三元圆柱锂电池热失控危险特性对比研究

为研究21700和18650新旧2型多用途锂离子电池在航空运输低压环境下的热失控特性差异，采用动压变温实验舱搭建实验平台开展实验。将实验环境压力设定为飞机巡航时的环境压力30 kPa，对比常压101 kPa，使用外部热源加热的方式触发锂电池热失控，利用热传播引发相邻电池热失控，分别从热失控温度变化特性、热释放速率和热解气体组分浓度变化进行分析。研究结果表明:能量密度更高的21700电池热失控峰值温度更高，高温危险性要高于18650电池，但触发热失控所需的热量更多，电池间热传播时间会延长；低压环境有利于降低锂电池热失控燃爆峰值温度，减小燃爆热释放速率，但会产生更多CxHy和CO等具有燃爆性的热解气体，可能会在有限空间内与氧气混合引起二次燃爆。     

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。     

锂电池火灾灭火技术研究综述*

为系统了解锂电池火灾灭火技术研究现状,综述国内外针对锂电池火灾的灭火实验研究,基于锂电池火灾的特点,从灭火效果、冷却效果和毒性危害等方面分析各类灭火剂对锂电池火灾的适用性,指出目前研究存在的问题以及今后的研究重点。研究结果表明:灭火剂的冷却能力是抑制锂电池内部链式分解反应,进而阻止锂电池复燃和热失控传播的关键因素。未来研究应更贴近实际工程应用,从灭火效率、冷却能力、毒性影响和有无不良抑制作用等角度综合评估灭火剂的有效性。     

低压下不同新型清洁气体灭火剂抑灭21700型锂离子电池火研究

为探究在航空运输低压环境下Novec1230（全氟己酮）和2-BTP（2-溴-3,3,3三氟丙烯）2种新型清洁气体灭火剂扑灭和抑制空运锂离子电池火的效果,基于动压变温实验舱,自主设计了适用于气体灭火剂的实验灭火装置;在40,60,80 kPa 3种环境压力梯度下开展灭火实验,分析了施加2种灭火剂前后锂电池表面温度变化和灭火过程中的实验现象。结果表明:低压下2-BTP和Novec1230均能有效降低锂离子电池火焰中自由基浓度,快速扑灭明火;2-BTP的降温和抑制温升效果明显优于Novec1230,能更好地抑制锂电池之间的连锁热失控。研究结果可为新一代机载灭火剂的选择提供参考。