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C80在鋰電池熱時空研究中的應用--大尺度鈦酸鋰儲能電池組熱失控傳遞實驗與模型計算研究


詳細信息


引言

鋰離子電池由于其高能量密度、良好的循環性能被廣泛應用于手機、電腦等便攜性設備。隨著新能源的推廣,電池也逐步應用于諸多大型設備如電動汽車、儲能電站,甚至于潛艇和國際空間站等。然而電池本身在高溫環境下具有不穩定性,一旦電池發生熱失控,可能會引發周圍電池的連鎖熱失控,造成巨大的經濟損失。


研究內容

·         火災科學國家重點實驗室王青松課題組綜合考慮電池實際應用中的兩種排列方式,分別對其熱失控傳遞行為進行了實驗研究。

通過對底部中間電池加熱,致使電池熱失控,得到周圍電池在該失控電池的影響下的溫度特性和燃燒行為。


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電池組菱形與平行排列

·         實驗研究得到以下一些主要結論:

(1) 失控電池火焰對周圍電池的火焰沖刷對電池熱失控傳遞產生重要作用,但使得周圍電池熱失控不具有一般規律性。平行排列電池在底部受熱條件下,電池表面溫度到達120~140℃區間會發生起火燃燒。然而,菱形排列電池,在僅受底部熱失控電池火焰作用下,使3#電池和4#發生著火的表面溫度出現在185℃與78.5℃。

(2) 火焰沖刷下的電池,即使火焰熄滅仍具有一定的爆炸隱患。在所有電池火焰熄滅后的20分鐘,1#電池與4#電池溫度穩定在120至130℃區間并穩定上升的 “陰燃”階段,之后4#電池與1#電池突然相繼發生爆炸。

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菱形排列電池組熱失控傳播實驗電池表面溫度變化曲線

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菱形排列電池組熱失控傳播實驗電池近火焰區溫度變化曲線

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平行排列電池組熱失控傳播實驗電池表面溫度變化曲線

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平行排列電池組熱失控傳播實驗電池近火焰區溫度變化曲線


·         為解釋該電池“陰燃”階段與電池熱失控傳遞行為,本文采用C80測量電池電極材料的熱流并使用兩個傳統熱爆炸模型(Semenov模型和Frank-Kamenetskii模型)對其進行計算。

·         通過各反應熱流曲線可以得到電極材料反應的熱物性參數。分別通過總反應的熱物性參數求得各自模型的自加速分解溫度:SADTsem=126.1℃和SADTF-K=139.2℃。而實驗中發生熱爆炸的電池表面溫度正好處于該兩極限模型條件下的溫度區間。根據本作者前篇文章的分析,正極材料的熱分解是導致電池發生熱失控的主要原因。因此又通過兩極限模型對正極材料導致電池熱失控的自加速分解溫度進行計算,分別求得為160.1℃(Semenov)和196.6℃(Frank-Kamenetskii)。意味著當電池溫度達到這兩者溫度區間時,并未及時對電池進行冷卻,電池將不可避免的發生熱失控。

 

成果簡介

小結:

本團隊針對電池組熱失控傳遞行為,通過實驗發現了火焰沖刷對周圍電池造成的非規律性失控和火焰沖刷下導致的爆炸隱患及其之前的“陰燃”階段;為解釋失控傳播與“陰燃”階段,本團隊分析了電池內部電極材料的熱物性參數,并使用兩種極限熱失控模型對其進行計算,得到的計算結果符合電池熱爆炸前的“陰燃”階段溫度特性。本文為電池的大規模應用及安全預案設計提供了參考。但由于模型本身的局限性,無法較準確的得出電池熱失控的臨界狀態。目前本團隊已對模型進行修正,首次得出針對電池熱失控的臨界判據和計算模型,該成果將在不久的將來公布,敬請期待!

 

相關研究結果已發表在Applied Energy

黃沛豐博士為論文的第一作者,王青松為通訊作者

Peifeng Huang, Ping Ping, Ke Li, Haodong Chen, Jiana Ye, Qingsong Wang*, Jennifer Wen, Jinhua Sun. Experimental and modeling analysis of thermal runaway propagation over the large format energy storage battery module with Li4Ti5O12 anode. Applied energy 183 (2016) 659–673.

本文轉自王青松課題組微信公眾號