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%。

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.

不同充电条件下三元锂电池过充热失控研究

为了研究充电倍率以及充电倍率的调整方式对过充条件下三元锂电池热失控的影响,分别以0.5C、1.0C、1.5C充电倍率将锂电池过充至热失控。此外,以0.5C充至电池表面温度不再上升时,分别以0.5C和0.07C的幅度逐步调高充电倍率,直至发生热失控。结果表明:以0.5C过充时,在短时间内不会发生热失控;以1.0C和1.5C过充时,均会发生热失控,且1.5C下热失控所需时间更短,热失控的危害更大。相比于采用0.5C幅度提高充电倍率的调节方式,采用0.07C幅度的调节方式会显著提高临界充电倍率,从而降低热失控的风险;以0.07C逐步提高充电倍率的过程中存在一个拐点倍率,当充电倍率小于此拐点倍率时,充电倍率与其对应的峰值温度呈线性关系,而当充电倍率大于拐点倍率后,继续提高充电倍率会导致热失控;先以0.5C过充,而后提高充电倍率导致热失控,其热失控危害远低于1.0C和1.5C过充的危害。因此,应当在符合实际需求的前提下采取较低的充电倍率。如需增加充电倍率,采取缓慢增加的方式有助于降低电池发生热失控的风险。

锂离子电池模组热失控传播实验研究

为了提升电池热安全和汽车可靠性,开展电池模组热失控传播研究。针对圆柱形21700锂离子电池的热失控传播特性,通过实验研究了电池荷电状态、单体间距等因素对21700锂离子电池模组多维度热失控传播行为的影响。发现电池热失控轴向传播要快于径向。在电池满电状态,间距2.0 mm时,热失控轴向传播要比径向快97 s,并且随着电池电量的降低和间距的增大,热失控传播速度变慢。在电池间距为2.0 mm时,30%和50%荷电状态分别是轴向和径向电池的安全荷电状态。在电池满电状态时,6.0 mm和4.0 mm分别是轴向和径向电池的安全距离。研究结果可为电池的存储、运输以及电动汽车的电池模组设计等提供借鉴。

长江口深水航道遭遇周边船舶失控的应对策略

长江口深水航道作为船舶进出上海港及长江沿岸港口的主要航道,每天有超百艘次各类大型船舶通行其中,因疏浚水深-12.5 m的主航道狭窄,船舶间交会需保持足够谨慎才能安全驶过。而当航道中有船失控时,其周围船舶需通过及时预判与合理应对,在避免本船安全受失控险情影响的前提下,为失控船进行紧急处置创造条件,防止碰撞事故发生。以引领周围船舶的引航员视角剖析此类情况,并分享可准确判断和安全应对的方法。

超声乳化吸除术联合房角分离术治疗PACG滤过术后眼压失控的临床疗效观察

目的探讨超声乳化吸除术(Phaco)+人工晶状体(IOL)植入联合房角分离术治疗原发性闭角型青光眼(PACG)滤过术后眼压失控的临床疗效。方法回顾性病例研究。对2020年8月至2022年5月收治的24例(25只眼)PACG滤过术后眼压失控患者,采用Phaco+IOL植入联合房角分离术治疗,比较术前、术后1 d、1周、1个月、3个月、6个月的眼压情况,术前及6个月最佳矫正视力(BCVA)、房角粘连性关闭(PAS)范围变化情况。记录术中、术后并发症情况。结果术后1 d、1周、1个月、3个月、6个月眼压、PAS范围均显著低于术前,差异具有统计学意义(均P<0.05);术后6个月视力较术前21例(22只眼)BCVA提高,3例(3只眼)BCVA无变化;术中10只眼发生前房出血,术后6只眼发生短暂性前房出血,15只眼发生前房渗出,8只眼发生角膜水肿。结论Phaco+IOL植入联合房角分离术治疗PACG滤过术后眼压失控能够有效降低眼压,提高患者视力,是安全有效的治疗方法。

锂离子电池热失控气体毒性风险分析方法

为研究锂离子电池热失控气体中主要有毒物质的危害程度,提出一种基于风险评估理论的锂离子电池热失控气体毒性风险分析方法。以点燃参数表征锂离子电池热失控发生概率,利用2种有效剂量分数(FED)方程与气体传感器阵列检测结果,建立锂离子电池热失控气体毒性动力学模型,进而表征气体毒性造成的后果,分析不同荷电状态(SOC)下三元锂离子电池热失控气体的毒性风险。结果表明:高SOC锂离子电池更易进入热失控状态,热失控释放的CO、HF及气体总量随SOC的增加而增加;锂离子电池SOC越高,热失控释放气体毒性风险越大,100%SOC锂离子电池毒性风险约为25%SOC锂离子电池的8倍,需要11倍的新鲜空气稀释才能达到安全浓度。研究结果可为锂离子电池热失控早期预警及气体毒性评价提供数据参考。

受限空间锂离子电池热失控热传递仿真研究

为探究锂离子电池在航空运输等受限空间条件下的热失控热传递来源及占比,以正极材料钴酸锂(LCO)的18650型锂离子电池(100%荷电状态)为研究对象。通过ANSYS Fluent软件建立锂离子电池热失控热传递模型,将第1节电池及其热失控产生的热解气体作为热源,通过辐射传热和对流换热对第2节电池进行加热至热失控。研究结果表明:第2节电池达到热失控温度时,电池内部副反应产热占总能量的30.01%;第1节电池热失控产生的气体燃烧为第2节电池热失控提供能量,且占总能量的5.64%;第2节电池达到最高温度时,电池内部产热占比87.39%,气体燃烧提供的能量占比为1.76%;热解气体的燃烧虽然加速第2节电池的热失控进程,但提供的能量所占比例较小。

受限空间NCM811锂离子电池热失控蔓延及痕迹特征研究

随着人们对电动汽车续航里程要求的不断提高,Li(Ni_(x)Co_(y)Mn_(1-x-y))O_(2)(NCM)电池包内电池单体正极材料不断由低镍Li(Ni_(x)Co_(y)Mn_(1-x-y))O_(2)(NCM111)向Li(Ni_(x)Co_(y)Mn_(1-x-y))O_(2)(NCM811)高镍转变。本文以51Ah的NCM811锂离子电池为研究对象,研究其在受限空间内的热蔓延行为、形变特征以及失控前后痕迹特征。结果表明,100%荷电状态(SOC)的NCM811电池模组在受限空间内发生热失控时,全部电池单体均喷发大量红色高温颗粒物,但仅有触发电池失控时出现射流火喷射特征,结果表明受限空间能够抑制电池模组热失控过程中火焰的产生,但是并不能阻止锂离子电池模组的热蔓延行为。100%SOC NCM811电池热失控时的前后表面温度介于820~979℃;热失控蔓延时间介于52~106 s;质量损失介于390~462 g;质量损失百分比介于45.58%~52.73%;电池正极材料颗粒热失控后出现明显的团聚现象,颗粒表面出现大量孔洞,正极材料表面O元素含量占比由39.96%减小至32.15%。本文研究内容可为高镍三元锂离子电池模组安全优化设计、热失控蔓延抑制及高镍电池热失控事故调查提供理论依据。