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.     

动力锂离子电池穿刺试验安全性研究

为研究动力锂离子电池受到物理穿刺时的火灾和爆炸安全性能,针对3种常规18650型锂离子电池(其中2种为钴酸锂正极,1种为三元材料正极),开展不同穿刺速度和穿刺深度条件下的安全性能试验,以锂离子电池正极表面温度来评价电池的火灾和爆炸安全性。研究表明:锂离子电池穿刺深度越深,正极表面温度升高越快,火灾安全风险越高;当穿刺深度达到100%时,2种正极材料电池的温度升高受穿刺速度影响较小,同一电池的升降温速率基本一致;相同穿刺速度下,相比于三元材料正极电池,钴酸锂正极电池升温更快,达到的最高温度更高。     

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.     

锂离子电池火灾特性及痕迹鉴定技术

为研究锂离子电池在不同故障条件下的火灾特性,以几种常见电动汽车锂离子电池为研究对象,开展锂离子电池在针刺、外部高温以及过电压充电条件下的危险性试验,并研究电池燃烧产生的熔痕。结果表明:与钴酸锂锂离子电池和磷酸铁锂锂离子电池相比,三元锂离子电池在针刺和外部高温试验中温升最高、毒性气体释放量最大;在过电压充电时,三元锂离子电池极易发热,且表面温度升高较快,有明显的火灾危险性;锂离子电池燃烧产生的高温能使铁质外壳熔化,熔痕部位金相组织呈现电弧作用痕迹特征,电池金属外壳的金相组织长大且呈现不均匀分布。     

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。     

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.     

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。     

不同外热功率下18650锂离子电池热失控特性*

为探究不同外热功率（220,170,120,70 W）下锂离子电池的热失控特性,采用动压变温实验舱作为燃爆实验舱,并利用量热仪和ISO-9705烟气分析仪监测特征参数,对荷电状态（SOC）为100%的18650型锂离子电池进行高温热失控实验。结果表明:在不同的外热功率条件下,锂离子电池进入热失控的过程呈现出相似的趋势,但是各阶段的特性却存在差异。池体表面中心温度、HRR,THR和耗氧量均随外热功率的降低而降低。高外热功率下燃爆响应时间点明显提前,池体温度更高,220 W外热功率下,燃爆响时间点为176 s,池体温度为720.6 ℃,比70 W时提前366 s,高210.03 ℃,可见高外热功率时,电池热危害性更高。热解烟气CO的峰值体积百分比浓度随着外热功率的降低而升高,而CxHy的峰值质量百分比浓度降低,,CO2的峰值体积百分比浓度降低。在70 W外热功率时,CO峰值体积百分比浓度高达0.322%,220 W时CO峰值体积百分比浓度仅为0.165%,说明低外热功率时,电池毒危害性更高。     

锂离子电池安全性特点及热模型研究

锂离子电池的安全问题越来越受到重视.本文从锂离子电池热安全性特点着手,分析了锂离子电池的着火、爆炸和电解液泄漏等安全事故特点.简单介绍了锂离子电池主要材料的产热特性、相互反应产热特性.讨论了锂离子电池热模型建立的两种途径,即量热仪途径和化学反应途径,通过这些热模型的建立,来指导锂离子电池的安全设计和管理.     

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。     

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。     

锂离子电池火灾风险管控研究现状分析

为了研究锂离子电池火灾风险管控,本文对锂离子电池火灾的特点及诱因进行了分析,通过查阅国内外相关文献,对锂离子电池模型仿真技术、火灾防治材料以及各阶段安全评价的研究状况进行归纳总结。研究发现,对锂离子电池火灾进行评价时,评价对象较为单一,无法系统地对锂离子电池火灾进行风险管控,故提出将生物免疫机理引入对锂离子电池火灾的风险管控中,为实现锂离子电池的全生命周期安全管理提供了新思路。     

Experimental study on thermal runaway risk of 18650 lithium ion battery under side-heating condition

To simulate the heat transfer process between lithium-ion batteries (LIBs), an electric heater with the same size and shape as LIB in this work is used to trigger thermal runaway event. The effect of state of charge (SOC), the power of heater, the cell spacing on thermal behavior of LIB was investigated as well the amount of transferred heat between the heater and LIB was calculated. The results indicate that 50% SOC is an unstable state for LIB, that a stronger jet flame becomes more likely when the SOC of LIB is higher than 50%. Additionally, the increased spacing, lower heating power and SOC can contribute to mitigate the severity of thermal runaway behavior. Further, the dominant path of heat transfer between the heater and LIB will also vary with operating conditions. The heat conduction through air is the main heat transfer path in tests with lower heating power. However, heat radiation will replace heat conduction as the primary heat transfer mode when there is a large temperature difference between the heater and LIB in tests with higher heating power. Understanding the leading heat transfer path between LIBs can provide valuable guidelines for the safety design of lithium-ion battery modules.     

A review of hazards associated with primary lithium and lithium-ion batteries

Primary lithium batteries contain hazardous materials such as lithium metal and flammable solvents, which can lead to exothermic activity and runaway reactions above a defined temperature. Lithium-ion batteries operating outside the safe envelope can also lead to formation of lithium metal and thermal runaway. Despite protection by battery safety mechanisms, fires originating from primary lithium and lithium-ion batteries are a relatively frequent occurrence.This paper reviews the hazards associated with primary lithium and lithium-ion cells, with an emphasis on the role played by chemistry at individual cell level. Safety mechanisms to prevent the occurrence and limit the consequences of incidents are reviewed, together with safety tests to monitor compliance with battery safety regulations and standards. Incident information from news accounts and open literature sources are reviewed to extract causal information.It is concluded that the potential severity of incidents during storage, transport and recycling of waste batteries can be significantly higher than in end-use applications. Safe storage, packaging and labelling practices, as well as communication among the parties involved, are essential to ensure safety across the battery lifecycle. It is recommended that a database of lithium battery incidents would be valuable to improve the evidence base for informing accident prevention measures.     

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。     

火场环境下无人机热损伤试验研究

无人机(UAV)逐步运用于火场搜救,但同时会因为火场高温而受损,为提高UAV在火场救援中的工作效率,设计一种UAV动态测试平台,开展UAV火场飞行试验;分析火场环境下UAV的热损伤情况,探究UAV在火场中的机身温度变化特征和UAV火场飞行安全距离。结果表明:火场热辐射和热对流是造成UAV热损伤的主要形式;旋翼产生的气流场对UAV机身有较为明显的降温效应,在试验工况下最高有25.6℃的降温作用;UAV与火焰的相对距离减少会增加机身的热损伤,在距离0.8 m处开始发生不可逆热损坏,试验工况下UAV火场飞行的安全距离为0.8 m。