隔热材料布局方式对280 Ah磷酸铁锂电池热失控传播抑制效果的影响

锂离子电池的热失控传播可能带来火灾甚至爆炸风险,这已成为阻止其进一步广泛应用的迫切问题。在本研究中,使用了玻纤气凝胶和陶瓷纤维毡来抑制电池的热失控传播,探索了隔热材料的种类及厚度对抑制效果的影响。进一步设计了单块阻隔和间隔阻隔两种模式,前者表示每隔一块电池放置一片隔热材料,后者表示每隔两块电池放置一片隔热材料。研究结果显示,在单块阻隔模组中,2 mm和1 mm厚度的玻纤气凝胶都能有效阻止热失控传播,受保护电池的前后表面温升分别为193.6℃、86.1℃以及222.6℃、86.8℃;而2 mm厚度的陶瓷纤维毡则只能延缓热失控传播的速度,无法完全阻止。在间隔阻隔模组中,使用2 mm玻纤气凝胶进行阻隔时,受保护电池的前后表面温升分别为168.3℃、56℃,这说明在遭受滥用条件时,间隔阻隔模组对电池的保护效果更加优异。本方案在一定程度上缓解了隔热材料使用及模组能量密度之间的矛盾,对锂离子电池模组的安全设计具有重要的理论指导意义。

锂离子电池热失控气体燃烧对热失控传播影响的量化方法

为量化锂离子电池热失控过程产生热失控气体对热失控传播的影响,基于能量守恒方程和铜基电池量热法,提出了一种计算热失控气体燃烧对热失控传播贡献占比的方法。选取商用18650型电池,利用自主设计搭建的热失控气体释能测算实验平台获取计算所需参数。实验结果表明:第1节电池热失控气体燃烧释放的能量在第2节电池热失控所需能量中占比达到5.42%,使第2节电池自产热增加了42%,热失控时间提前了29%。研究结果有助于进一步探索热失控传播过程中的能量传递效率,为单元层级和系统层级的电池安全设计提供理论支持。

纳米纤维材料对锂电池热失控传播影响研究

锂电池在运输以及使用过程中的磕碰、外短路等原因造成的热失控极易诱发周边电池升温,导致热失控蔓延。为控制锂电池热失控传播,本文使用纳米纤维材料对热量传播进行抑制,以瓦楞纸、陶瓷纤维和玻璃纤维作为间隔材料展开锂电池热失控试验,从隔热性和耐火性两方面对隔热材料进行评估。结果表明:虽然纳米纤维材料的保温性能会促使首节电池更快进入热失控状态,但由于其良好的隔热性能,锂电池热失控的传播可以被有效抑制。对首节电池燃爆过程中隔热材料的热流密度进行测算,发现陶瓷纤维纸的热通量峰值更低,纳米纤维材料的隔热性能要优于瓦楞纸。同时对3种材料耐火性进行试验,判定电池燃爆时材料的可靠性,发现瓦楞纸极易燃烧,而纳米纤维材料具有良好的热稳定性。结果证明了纳米材料作为锂电池运输间隔材料的可行性。

考虑性能热衰减和热失控传播的大规模电池储能系统可靠性建模与评估

功率、能量密度相对均衡的大规模电池储能在新型电力系统中具有广阔应用前景。然而,电池储能的可靠运行与工作环境温度强相关。一方面,异常温度加快电池容量衰减;另一方面,热失控现象极易导致系统严重故障,但现有关于电池储能系统可靠性的研究未有效考虑热效应及其传播的影响。针对此问题,该文提出计及性能热衰减和热失控传播的大规模电池储能系统可靠性分析方法。首先,构建考虑拓扑结构的电池储能系统模糊多状态模型,在故障数据相对缺乏的条件下科学描述电池正常、衰减、完全故障等性能水平和对应概率;结合电池循环寿命模型以及性能分布均值与温度的随变关系,量化不同环境温度下,电池在各时刻的性能衰减程度。然后,从电池组内热量传递角度,建立电池储能系统热失控传播模型,以预测不同电池达到热失控临界温度的时序。在此基础上,构建电池储能系统可靠性评估指标和流程。最后,结合测试系统验证所提模型和方法的有效性,说明单个电池高温下的性能突变对整个储能系统的性能有明显影响。

荷电状态和电池排列对锂离子电池热失控传播的影响

当前锂离子电池热失控传播特性研究主要聚焦于电池形态和触发方式,本研究采用自行研制的锂电池阵列级联热失控实验平台,对不同荷电状态(state of charge,SOC)及不同排列间隔的锂离子电池热失控传播特性开展研究。结果表明:热失控传播速度随着SOC的增加而加快,100%SOC电池组中热失控传播结束时间比70%SOC电池组热失控传播结束时间少70 s,100%SOC电池组热失控最高温度可达621.81℃,50%SOC的电池不会出现热失控传播现象;对于100%SOC的电池,电池间横向间距越大,热失控越难在电池组之间传播,当电池间横向间距为3 mm时,热失控不会在电池组中传播。电池间的热失控主要以层传层的形式传播。本研究对优化电池布置、防止和控制电池热失控传播具有较高的应用价值。

不同体系中18650型锂离子电池热失控传播过程研究

使用自主设计搭建的锂离子电池热失控实验平台,在敞开体系与半封闭体系条件下对18650型锂离子电池开展热失控及传播实验,研究荷电量(SOC)为50%的锂离子电池热失控连锁反应的特征。对热失控发生时间、温度变化趋势、峰值温度、热失控传播特性等进行记录分析。结果表明:敞开体系中单个锂离子电池在173℃时开始发生热失控,最高温度达到689℃;不同体系热失控传播实验中,敞开体系未发生热失控传播,金属包装的半封闭体系发生热失控传播。

三元锂离子电池直径和荷电状态对热失控传播影响研究

随着我国新能源汽车的不断发展,锂离子电池作为新能源电动汽车最重要的储能设备,由于其能量密度高的特点,存在着燃烧迅速、爆炸并触发相邻电池热失控传递的热安全危险,制约着更规模化的应用和推广,严重威胁着人员的生命财产安全。电池的热失控主要与其电池形状、荷电状态、连接方式等有关。而在不同荷电状态和不同直径的耦合条件下的电池热失控研究是提高锂电池安全性能的研究重点。为了探究锂离子电池热失控传播过程的主要影响机制,采用不同直径(10440型、14500型、18650型、21700型、26650型和32650型)和不同荷电状态(50%、70%、100%)的三元锂离子电池为研究对象,考察其在一维线性排列方式下的热失控传播时间及热失控空间传播速率变化特征,进而深入分析电池直径和荷电状态对热失控传播时间及热失控空间传播速率的影响机制。采用实验数据、传热学理论以及无量纲分析相结合的方法建立了阻断电池热失控传播链的计算模型,进而预判电池间的热失控传播时间,结合无量纲分析得到了不同荷电状态(50%、70%、100%)电池热失控传播时间与电池直径(10,14,18,21,26,32 mm)的特征关系,提出了一维排列方式锂离子电池热失控传播时间的预测模型。实验研究结果表明:当电池荷电状态(SOC)一定时,电池直径越大,总热阻随之增高,进而导致热失控传播时间增大和空间热失控传播速率减小。在总电能相同的条件下,锂离子电池的荷电量越大,产热量也随之越大。电池直径对电池热失控传播过程的影响主要取决于电池传热过程中热阻的变化,采用集总模型理论、傅里叶理论和界面连续性条件,建立整个锂离子电池模组的热阻公式,并通过公式推导出锂离子电池荷电状态与电池产热量之间的关系。研究结果表明:当电池直径一定时,模组内电池热失控过程的总产热量随着电池荷电状态的增大而增大;在高温环境下,电池之间的热失控传播速率也将随之大幅提升。本文通过在锂离子电池的热失控传播时间段设计阻断传播链的计算模型,进而预判电池间的热失控传播时间,结合无量纲分析系数拟合得出电池荷电状态在50%、70%和100%时,单体电池间的平均无量纲热失控传播时间与电池宽高比、电池荷电状态之间的关系,提出了模组内相邻单体电池间热失控传播时间预测模型。

磷酸铁锂电池热失控传播特性的影响因素研究

以试验方式探究影响磷酸铁锂电池热失控传播的主要因素,设计了不同荷电状态、电池间距以及电气连接方式的电池模组开展热失控传播试验,根据温度、电压以及质量等参数,分析了不同因素对热失控传播的影响程度。结果表明,3种因素对热失控传播的影响程度依次为:荷电状态、电池间距、电气连接方式。同时得到导致热失控传播的主要传热路径是向下游电池传热。

相变材料热管理下电池热失控传播过程数值分析

为明晰相变材料热管理下热失控传播速率与材料属性的关系,采用格子Boltzmann方法对18650锂离子电池模组计算分析热失控在不同的相变材料特性下的传播特性。结果表明:相变材料的潜热变化对热失控的传播影响不明显;模组内电池之间的热失控传播时间随着热导率的增加先减小后增加,在某热导率数值左右存在一个拐点,所得结论为优化动力电池模组热管理提供了参考依据。

液氮抑制外部加热和过充锂电池模组热失控

为抑制锂离子电池模组的热失控传播,构建液氮(LN)对热失控的抑制试验系统,揭示在外部加热和过充条件下,LN对锂离子电池模组热失控传播的抑制作用。结果表明:外部加热条件下,热失控自紧贴加热板的电池向两侧传播,共6块热失控电池;同条件下,注氮后热失控电池温度降低超过100℃,峰值温度降低70℃以上,LN冷却效率为42.9%,有效利用率为4.1%,热失控剧烈程度降低,传播被阻断;改变加热板位置使LN不直接接触热失控电池时,LN的冷却效率为18.3%,有效利用率仅为2.1%,远低于接触组,且热失控电池回温至207℃,LN不能终止电池热失控进程,LN直接接触热失控电池时达到最佳抑制效果。过充条件下,电池模组内共7块热失控电池,峰值温度均超过345℃;注氮组无热失控电池,电池峰值温度为127.4℃,LN冷却效率为41.7%,在电池模组压降时注氮可防止热失控发生。

锂离子电池热失控过程中的烟气生成规律研究

为研究热失控传播过程中的烟气成分构成及浓度变化情况,使用3种常用不同直径(10440型、14500型、18650型)的圆柱形三元锂离子电池作为试验对象,分析电池能量密度和不同荷电状态对热失控传播过程中的烟气成分构成及相应生成总量的影响机制。研究结果表明:气体生成量的最大值基本上对应各电池达到热失控的峰值温度点,HF和HCl等酸性不可燃气体质量浓度曲线的变化趋势基本相似,NO_(2)、NH_(3)、N_(2)O和CO等相对易燃性气体质量浓度曲线的变化趋势基本相似;锂电池热失控传播过程中的NO_(2)、NH_(3)、N_(2)O和CO等可燃性气体成分生成量与热失控传播时长呈正相关的关系;而HCl和HF等不可燃酸性气体生成量则与电池能量密度和荷电状态呈正相关的关系;最终通过线性系数拟合法,得出了电池热失控传播过程中的酸性气体生成量的预测模型。

细水雾与隔热层协同对锂离子电池灾害传播抑制的研究

热失控是锂离子电池最严重的安全问题,一旦发生,极易在电池模组内传播,其释放的热量成倍增长后会导致严重的燃烧爆炸事故,严重阻碍了其在储能、电动汽车等行业的应用,因此需要可靠的方法来阻隔热失控在电池间的传播。目前主流的散热与隔热两种热失控抑制策略都存在不足,细水雾因其出色的冷却能力被首选为散热介质,因此有必要开展细水雾散热与隔热层隔热对电池模组内灾害传播协同抑制的有效性研究。以4块车用7 Ah方型动力三元锂离子电池为研究对象,对比分析了隔热层隔热、细水雾散热及其协同抑制三种策略对热失控传播抑制中的关键参数变化。结果表明:本实验中单纯的隔热或细水雾散热方法均无法完全阻断热失控蔓延,但协同抑制策略不仅能完全有效阻断,还可有效解决隔热板导致的聚热现象与细水雾冷却速率有限的问题,相邻电池的最高温度及最大温升速率控制在了132.4℃、0.35℃/s以下;同时,有毒气体CO、SO_(2)的浓度相比无抑制时分别下降约21%、30%。协同抑制的综合效果大于两者单独作用之和,本研究可为电池包内合理平衡隔热和散热之间的关系设计提供数据参考。

模组箱体空间内磷酸铁锂电池热失控及其传播行为研究

为了探究储能用锂离子电池在真实应用场景下的热失控及其传播行为特征,选用86 Ah方形磷酸铁锂(LiFePO_(4))电池,对其在热滥用触发方式下的热失控行为及模组箱体空间与开放空间中的传播行为规律进行了实验研究。单体实验结果表明,电池热失控产生的高温烟气会导致模组箱体内沿高度方向出现明显温度梯度,模组底部与顶部温度测点的最大温差达118.4℃。传播实验结果表明,模组箱体空间内热失控电池通过产气及喷出高温电解液向其他电池传热,在热失控电池影响下,模组箱体空间内3块电池上表面所能达到的最高温度均高于开放空间实验12℃~150℃,模组空间内热失控电池向同侧两块电池的传热量高于开放空间实验225 kJ和44.4 kJ。但箱体环境中有限的氧气供给会减缓电池在热失控时的内部放热反应进程,模组箱体空间实验中电池热失控峰值温度较开放空间实验低33℃~145℃,并且模组箱体空间实验中热失控完全传播所用时间较开放空间实验滞后213 s。研究结果对于锂离子电池模组的安全设计和热失控传播阻隔具有一定的参考价值与指导意义。

锂离子电池过热热失控及传播实验研究

为提高锂离子电池的过热安全性,本文针对荷电状态(state of charge,SOC)为0%、50%、100%的18650型锂离子电池进行热失控及传播实验,研究了电池间不同的竖直距离对电池表面温度、φ(O2)、φ(CO)的影响。结果表明:锂离子电池在0%SOC、距离为1 cm时只有加热阶段,并且表面温度最后稳定在一定值;50%SOC、100%SOC热失控传播的临界距离为3、4 cm;在热失控及传播过程中,电池表面的喷射温度和最大温度、φ(O2)和φ(CO)最大变化与距离无关,SOC越大,喷射温度越低,最大温度越高。

不同热管理方案下锂离子电池模组温度特性分析

针对锂离子动力电池在不同条件下电池模组温度变化及热失控传播特性不明晰的问题,提出了基于不同填充材料的电池热管理模拟方案。利用COMSOL Multiphysics软件,以18650电池为研究对象,建立锂离子电池模组热电耦合模型,分析不同填充材料下充放电倍率、液冷流量、液冷管排数对正常电池模组温度的影响;探究不同填充材料对电池模组热失控传播的影响;结合电池热失控试验数据验证模型准确性。结果表明,填充材料和管排数对电池正常模组温度影响较大;填充材料为石墨时最佳液冷管排数为8根;PCM材料能将对热失控传播时间控制在40~50 s/颗,相比于石墨具备明显优势。

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。

锂离子电池热失控阻隔材料研究进展与展望

全球环境污染与能源短缺问题的持续升级,使得锂离子电池等新型储能技术成为新能源革命中的重要方案。然而,电池的安全隐患,尤其是大规模电池组热失控及其传播触发的火灾风险,是电池储能行业进一步规模化的关键问题。文章把握行业痛点,总结了抑制电池热失控及其传播的阻隔材料的研究进展,并从吸热、隔热、吸热-隔热协同三方面对阻隔材料的功能进行分类评价。最后,整理了系统级电池热失控及其火灾的仿真模型与抑制策略,有助于厘清阻隔材料抑制电池热失控火蔓延的研究脉络,为后续的创新性研究工作提供思路。

三元动力电池及其成组后的过充安全性试验

为提升动力电池的过充安全性,明确过充热失控的发生机理、行为特点及传播特性,对三元动力电池及其成组后的过充热失控行为展开试验研究,得出电池过充热失控有明显的触发演化过程;电池电压从开始急剧下降到电池温度急剧升高完全热失控之间存在一定的反应时间;随着热失控的不断拓展,电池热失控所达到的最高温度会逐渐升高;模组结构在一定程度上能抑制电池过充热失控的发生。最后,提出改善三元动力电池及其成组后过充安全性的具体建议。