低温循环老化航空锂离子电池热失控的爆炸危险性

鉴于全寿命周期内循环老化后航空锂离子电池热失控反应较新电池有显著差异,且低温环境对锂离子电池系统重大失效危险性影响更加贴近低空实际飞行场景,自主搭建了锂离子电池热失控及气体爆炸测试平台,采用锂离子电池的热失控时间、表面峰值温度和热失控超压及热失控气体的爆炸极限、压力及温度为关键参数,探讨低温(-10℃)循环老化对锂离子电池热失控爆炸危险性的影响。实验结果显示,常温循环老化锂离子电池较新电池热失控时间明显提前和电池安全阀开启到完全热失控的时间间隔明显增长,分别为559.86和122.56 s,且热失控气体爆炸下限升高30.95%,气体爆炸压力降低至258.6 kPa;低温环境因素则会使老化锂离子电池热失控的爆炸危险性发生显著变化,导致热失控时间提前至412.38 s,安全阀打开到完全热失控的时间间隔缩短至56.66 s,并使热失控气体爆炸下限降低20.49%,爆炸压力高达319.5 kPa。

航空动力锂离子电池热失控行为与气体燃爆危险性研究进展

动力锂离子电池的安全问题是制约电动航空器运行与适航取证的技术瓶颈问题,影响全球电动航空的发展。由锂离子电池热失控引发的燃烧、爆炸等失效事件会造成机毁人亡的灾难性后果。旨在为相关研究人员介绍锂离子电池热失控爆炸特性的研究现状,从锂离子电池热失控燃爆行为、热失控气体爆炸极限和热失控气体爆炸危险性评估3个方面进行阐述:在锂离子电池热失控燃爆行为方面,介绍了锂离子电池热失控发展过程,分析了热失控冲击特征参数测定方法,总结了热射流演变机制及射流火焰的模拟仿真与实验方法;针对热失控气体的爆炸极限,对比国内外气体爆炸极限测试标准,总结了热失控气体爆炸极限理论计算方法,并介绍了原位检测爆炸极限的创新方法;在热失控气体爆炸危险性评估方面,介绍了老化锂离子电池危险性评估方法,以及爆炸危险性参数指标。提出未来的研究将侧重于先进诊断技术、增强电解质稳定性、多尺度建模、先进抑制技术以及建立标准化测试流程和技术法规等领域。

航空动力锂离子电池热失控高温与冲击危害的被动防护包容性

锂离子电池热失控造成的热冲击将损坏安装结构,对周围人员和设备安全构成威胁,是限制其在航空领域应用的关键问题。通过自主搭建的锂离子电池热失控高温冲击实验平台研究发现,单节电池热冲击对电池包顶板的冲击压力高达13.23 kPa,致使其外表面温度高达274℃。为了有效包容锂离子电池热失控造成的高温冲击危害,提出了电池包顶板涂敷防火涂层的被动防护方法。通过实验研究发现,环氧树脂基膨胀型防火涂层可通过膨胀有效阻隔锂离子电池热失控冲击压力的影响,通过吸收热量降低并延缓电池包顶板的温度上升。分析锂离子电池热失控包容性验证实验结果可知,1.0 mm厚的E80S20涂层和E85S15B3涂层分别使电池包顶板最高温度下降52.16%和55.80%,结构最高形变分别降低72.2%和44.4%。研究结果表明,防火涂层被动防护技术能够有效提升电池舱体对热失控高温和冲击危害的包容性,可作为航空动力锂离子电池系统安全性设计的有效措施。

磷酸铁锂离子电池热失控产物爆炸下限预测方法

为准确预测磷酸铁锂电池热失控产物的爆炸下限,在密闭压力容器内开展了磷酸铁锂电池热失控实验,结合热失控特性和气相色谱-质谱联用技术,计算了热失控产物气体组分,基于能量守恒方程和绝热火焰温度,建立了磷酸铁锂电池热失控产物爆炸下限的预测模型,并验证了绝热火焰温度法、Le Chatelier法和Jones法的准确性,考察了电解液蒸气对热失控产物爆炸下限的影响。结果表明,常温下采用Le Chatelier法计算得到的爆炸下限偏差最小,为1.14%;采用绝热火焰温度法计算结果偏差最大,为10.02%。在60%~100%荷电状态(state of charge, SOC)范围内,磷酸铁锂电池热失控气体的爆炸下限先升后降。当热失控产物考虑电解液蒸气时,60%SOC磷酸铁锂电池热失控产物爆炸下限仅为3.93%,较未考虑电解液蒸气热失控气体的爆炸下限降低了22.49%,这说明电解液蒸气提高了磷酸铁锂电池热失控产物的爆炸风险。

新能源汽车锂离子电池热失控研究

锂离子电池作为新能源汽车的重要动力源,因其能量密度较高、循环寿命长的特点而被广泛应用,然而频繁的电池起火与热失控问题制约了电动汽车的发展,为解决锂电池热失控问题,研究电池热失控机理,对锂电池热失控的概念及机理、影响因素进行分析;阐述了热失控过程中的化学反应、热量传递机制,并通过实验和理论分析,提出了单体电池、锂电池内短路及过充状态下热失控相应的预防和控制策略;建立了数学模型计算电池温度以防热失控发生,为提高锂电池的安全性提供了理论支持和实践指导。

锂离子电池过充热失控特征和预警策略研究

随着全球对碳中和目标的追求,锂离子电池储能技术的发展前景广阔,而安全问题是制约锂离子电池储能电站发展的重要障碍。分析了不同充电倍率条件下磷酸铁锂电池的热失控动态特性及其影响因素。通过综合电压、温度和气体释放特征的协同分析,揭示了电池过充过程中的风险阶段及其安全阈值。采用云模型计算,建立了基于电压、温度和气体产生的多变量预警系统,通过基本概率分配(BPA)函数和mass函数来融合传感器数据,实现了磷酸铁锂电池过充危险等级的综合判断,为锂离子电池的安全监测和风险管理提供了切实可行的思路和技术支持。

锂离子电池热失控监测参数研究综述

锂离子电池因其能量密度高、自放电率低、循环寿命长、输出功率大等优点被广泛应用于储能领域,然而由于其不稳定性导致储能事故频发。从热失控-火灾蔓延角度出发,对热失控机理进行探究,基于产气成分及含量、膨胀力、表面温度、电压变化等热失控特征参数,对现有的磷酸铁锂体系电池早期预警(外部)方式进行综述,在此基础上,提出未来电池热失控早期预警(外置)的发展思路,为锂电池热失控早期监控及预警提供思路。

锂离子电池热失控行为及火灾危险性研究综述

锂离子电池作为一种高效清洁的储能载体,因其能量密度高、自放电低、充电快、循环寿命长等优点在实现碳中和目标中发挥着重要的作用。然而,由于锂离子电池材料的活泼性和电解液的可燃性,其在滥用条件下极易发生热失控,大量热量和可燃气体的产生会进一步造成火灾甚至爆炸事故。锂离子电池潜在的安全问题和高火灾风险在一定程度上限制了其在新能源汽车和电化学储能系统中的大规模应用。本文针对锂离子电池的热失控及火灾问题,梳理了热诱发下锂离子电池热失控行为特性的相关研究现状,总结了从锂离子电池内部材料的反应特性到锂离子电池单体的热失控行为,再到电池模组的热失控演变特征的研究进展,进而分析了锂离子电池热失控及其传播的抑制技术,并给出研究建议及展望。

磷酸铁锂电池爆阀后热失控抑制策略及效果研究

为了研究磷酸铁锂电池爆阀后热失控的抑制效果,搭建了热失控特性检测试验平台。首先对电池热失控喷气进行阶段划分,然后对比分析了不同时机切断供电对磷酸铁锂电池热失控现象特性、温度和可燃气浓度特性的影响。结果表明:磷酸铁锂电池安全阀爆开后,存在2次喷气,时间间隔为10 s左右。当安全阀打开时,伴随少量气体的喷发,立即切断供电,内部反应随之停止,阀口并未出现第2次喷气。在第2次喷气后,电池进入完全热失控状态,若立即切断供电,电池表面温度长时间持续升高,最高温度为93℃。在第2次喷气2 min后再断电,电池表面温度持续升高至200℃,相较于第2次喷气时断电,最高温度差为107℃,H_2、CO的最大体积分数差为7.09×10~(-4)、3.28×10~(-4)。如果在安全阀开启瞬间不能立刻预警及干预,有效的预警应该在第1次喷气和第2次喷气之间动作,可以控制温度的上升和可燃气体的喷射,降低火灾爆炸风险。

锂离子电池储能电站的热失控状态检测与安全防控技术研究进展

锂离子电池具有能量密度大、使用寿命长、工作温度范围宽、自放电小等优点,是中国电化学储能电站的主流电池技术。然而,在加热、过充等恶劣工况下,锂离子电池易发生热失控引发火灾甚至爆炸,因此其安全问题已逐渐成为锂离子电池储能电站建设及大规模应用的首要问题。该文系统分析了锂离子储能电池热失控的诱因、电池内部反应过程及外部特征参量的变化规律,重点总结了当前主要的电池热失控状态检测技术、智能诊断算法及储能电站安全防控技术,最后对储能电站热失控状态检测及安全防控技术进行了总结和展望。

液氮抑制32650型磷酸铁锂电池组热失控传播特性试验研究

文章从磷酸铁锂电池组热失控危险特性出发,通过试验研究32650型磷酸铁锂电池单体热失控特征及其电池组间热失控传播过程。探究利用液氮喷淋阻断电池组间热失控传播,分析液氮对磷酸铁锂电池的防灭火效能。结果表明:单体锂电池热失控可划分为被动加热、安全阀泄压、自反应、喷射火、明火熄灭等5个阶段,单体电池温度变化曲线呈倒“V”形。液氮可有效阻断电池组间的热失控传播,能够大幅降低喷射火阶段的电池峰值温度。且喷淋时间越长,阻止电池组热失控传播越明显。30 s液氮喷淋条件下,除电池A1外,其他电池未进入安全阀泄压阶段。

电动汽车热失控危害性评测技术研究

随着电动汽车保有量的增加,动力电池热失控导致的着火事故时有发生,对热失控危险性进行评测是提升电动汽车安全性能的重要手段之一,而行业内尚未形成量化评估方法。针对上述问题,搭建了电动汽车整车燃烧试验平台,并开展了大量由热失控引发电动汽车火灾的模拟试验,提取了以下可用于电动汽车热失控危害性评测的参考指标与部分潜在指标:试验开始至动力电池热失控的时间间隔可作为电池故障预警有效性的指标;热失控至车辆起火的时间间隔与车内温度可作为乘员逃生安全性的指标;烟气体积分数超标时刻及其与起火时刻的关系可作为驾驶室毒气危害性的指标;车内可燃气体体积分数和车外热辐射强度可作为评估爆炸危险性和相邻车辆引燃风险性的指标。通过提出上述评价指标,为后续形成量化评估方法及相关标准提供参考。

不同荷电状态磷酸铁锂电池热失控温度与产气特性分析

新能源产业的飞速发展使磷酸铁锂电池广泛应用于储能领域。磷酸铁锂电池电解液固有的可燃性使其热稳定性和安全性问题不容忽视。为了更好地防控储能电站的爆炸事故,有必要开展储能电池的热失控过程研究,并对产气过程和产气组分的危害性进行深入分析。开展了不同荷电状态(State of Charge, SOC)60 Ah磷酸铁锂电池热失控试验,根据电池温度演变曲线,将电池热失控过程分成三个阶段;依据电池产气曲线,将电池产气过程分为四个阶段;使用FLACS软件建模对预混气体进行了爆炸仿真,探索了SOC对可燃气体燃爆行为的影响规律,混合可燃气体的爆炸上下限和爆炸超压随着SOC的增大而增大。研究成果对储能电站的安全防护具有理论指导意义。

磷酸铁锂储能电池过充热失控的多参量特性分析及热失控抑制技术研究

方形铝壳磷酸铁锂电池在过充等条件下容易造成电池内短路,严重威胁储能电站的安全运行。该文搭建了电池过充热失控多参量特性原位测试平台,将电池放置在模组壳内部试验以模拟实际电池的静态封闭环境,采用设计的气体原位监测系统监测CO、CO_(2)、H_(2) 3种气体的体积分数,使用高温电阻应变片测量电池过充膨胀形变。研究了不同充电倍率、不同容量电池的过充热失控现象与电压、温度、产气、形变特征;针对电池热失控抑制问题,设计了基于热敏绝缘材料的自触发电池热失控抑制装置。结果表明:方形铝壳磷酸铁锂电池通常在防爆阀开启前数秒可以检测到少量CO和H_(2);电池中间首先出现膨胀形变,检测到形变至少比检测到气体早243 s,至少比电池短路提前248 s,表面形变可作为电池过充热失控预警的有效指标;设计的自触发电池热失控抑制装置可以将电池过充热失控最高温度从358.80℃降低到259.06℃,装置同时兼具体积小、成本低、无需供电且反应后不影响其他电池等优势,可有效实现储能电站的分布式热失控抑制。研究成果对磷酸铁锂储能电站安全预警具有重要意义。

循环老化三元锂离子电池热失控气体毒性研究

为研究高能量密度锂离子电池循环老化过程中热失控特性变化及释放气体的毒性危害,对不同循环老化程度的三元锂离子电池进行热滥用实验,利用气体传感器阵列,基于有效剂量分数模型对热失控气体毒性危害进行定量分析。结果表明,高镍含量三元锂离子电池循环性能差,200次循环老化后,电池健康状态低于70%。老化电池更容易进入热失控状态,热失控反应更剧烈但释放能量少,释放气体燃烧效率低。在密闭空间内,电池热失控释放窒息性气体危害性比刺激性气体更高,150次循环老化电池的窒息性气体毒性累积效应比新鲜电池早638 s达到临界值1。随老化程度增加,最终电池的刺激性气体毒性即时效应与气体致死毒性即时效应降低,与新鲜电池相比,100次循环老化后,电池的刺激性气体毒性即时效应降低0.34,气体致死毒性即时效应降低0.19。研究结果可为老化电池安全性评估及热失控预警提供数据支撑。

针刺诱发电池热失控的研究进展综述

针刺测试是研究锂离子电池热失效机理和热失控特性的重要方法之一。本文汇总了目前广泛采用的针刺测试设置,并研究了不同变量对热失控演化的影响,包括针刺的深度、速度、位置以及针的材料和直径等,对针刺破坏下锂离子电池内短路及热失控行为进行机理性探索与分析。结果发现,针刺的深度与电池热失控行为的严重程度成正比,针刺的速度对电池热失控没有明显影响,针刺发生在活性材料较密集或电极附近时电池热失控更严重。针的材料和直径对电池热失控行为具有双重影响,需要结合实际情况对产热和散热情况分别进行分析。最后通过总结不同因素对电池热失控的影响,对减缓锂离子电池热失控以及更新其安全测试程序提出了新的见解,为后续的创新型研究工作提供思路。

基于电化学-热-力耦合模型的锂离子电池热失控研究

为提升锂离子电池的安全性能,减少由热失控导致的安全事故,分析电池温升的原因并有效降低其温度,依据电化学反应中浓度、电势与热模型中温度的相互影响关系,建立电化学-热-力耦合模型。通过模拟单电池和电池组温度分布的实时情况,分析单电池温度不均匀分布和电池组温度正态分布情况的原因,探讨换热面积和流通量对散热量的影响,研究电池组中单体电池的位置分布及不同传热介质的散热情况。研究结果显示:低温和相对高温环境下,欧姆热、极化热及电化学反应热产热占比不同,但产热最高温度未达到电极材料与电解液分解反应的临界温度420 K;高温环境下,电池温度持续升高接近临界温度,出现热失控趋势,对流换热系数对电池影响较大。电池组间隙为10 mm和20 mm时,整体温度比间隙为0时分别降低了1.1%和1.8%;与无间隙电池组相比,以铜板和铝板为传热介质的电池组温度分别降低了2.0%和1.6%。

锂离子电池热失控实验教学平台开发及应用

电池热失控实验是研究锂离子电池热失控特性的重要手段,对提高新能源汽车整车安全性至关重要。基于现有锂离子电池热失控特性研究,明确了热失控实验过程中主要关注的参数和测量方法,开发了具备特性参数持续监测、产气量实时计算、热失控气体采集等功能的锂离子电池热失控实验教学平台,实现了锂离子电池热失控过程中电池表面温度、开路电压、产气压力、气体温度等核心参数的在线获取。针对不同类型电池热失控过程的产气特点,设计了兼顾瞬态及稳态的气体采集装置,提升了实验教学平台的普适性。

基于证据理论和区间分析的eVTOL热失控安全性分析

为保证eVTOL的安全性,需要对锂电池的热失控问题进行安全性分析。针对锂电池热失控失效数据不足这一问题,提出一种基于证据理论和区间分析的安全性评估方法:对系统进行故障树建模;针对故障树分析中存在的底事件失效率不精确的问题,使用证据理论计算底事件失效概率区间,并结合区间理论对故障树顶事件进行计算;通过重要度分析,找出对顶事件影响最大的底事件。利用所提方法,对eVTOL电池热失控进行安全性分析并计算各底事件的重要度,从而为降低系统失效概率、提升系统安全性水平提供依据。

双相流细水雾抑制锂离子电池热失控蔓延试验研究

为抑制锂离子电池热失控及其蔓延,构建氮气与细水雾(NWM)双相流系统.通过改变系统施加压强和作用时间,对比分析电池表面温度和附近烟气体积分数以及NWM的冷却功率和电池模块的热量累积,阐述NWM系统抑制锂离子电池模块热失控蔓延的机制及有效性.结果表明,在NWM冷却电池模块表面和窒息机制的协同作用下,电池模块射流火的持续时间显著降低;且NWM压强越大,作用时间越长,会使电池表面的最高温度越低,相邻电池之间TR蔓延的时间间隔越长,表明NWM抑制锂离子电池热失控蔓延的有效性显著增强.