大尺度钛酸锂储能电池组热失控传递实验和模型计算研究

锂电池由于其高能量密度、良好的循环性能被广泛应用于手机、电脑等便携性设备。随着新能源的推广，电池也逐步应用于诸多大型设备如电动汽车、储能电站，甚至于和国际空间站等。然而电池本身在高温环境下具有不稳定性，一旦电池发生热失控，可能会引发周围电池的连锁热失控，造成巨大的经济损失。

 

研究内容

 

火灾科学国家重点实验室王青松课题组综合考虑电池实际应用中的两种排列方式，分别对其热失控传递行为进行了实验研究。通过对底部中间电池加热，致使电池热失控，得到周围电池在该失控电池的影响下的温度特性和燃烧行为。

 

电池组菱形和平行排列

 

实验研究得到以下一些重要结论：

 

（1）失控电池火焰对周围电池的火焰冲刷对电池热失控传递出现重要用途，但使得周围电池热失控不具有一般规律性。平行排列电池在底部受热条件下，电池表面温度到达120~140℃区间会发生起火燃烧。然而，菱形排列电池，在仅受底部热失控电池火焰用途下，使3#电池和4#发生着火的表面温度出现在185℃和78.5℃。

 

（2）火焰冲刷下的电池，即使火焰熄灭仍具有一定的爆炸隐患。在所有电池火焰熄灭后的20分钟，1#电池和4#电池温度稳定在120至130℃区间并稳定上升的"阴燃"阶段，之后4#电池和1#电池突然相继发生爆炸。

 

菱形排列电池组热失控传播实验电池表面温度变化曲线

 

菱形排列电池组热失控传播实验电池近火焰区温度变化曲线

 

平行排列电池组热失控传播实验电池表面温度变化曲线

 

平行排列电池组热失控传播实验电池近火焰区温度变化曲线

 

为解释该电池"阴燃"阶段和电池热失控传递行为，本文采用C80测量电池电极材料的热流并使用两个传统热爆炸模型（Semenov模型和Frank-Kamenetskii模型）对其进行计算。

 

通过各反应热流曲线可以得到电极材料反应的热物性参数。分别通过总反应的热物性参数求得各自模型的自加速分解温度：SADTsem=126.1℃和SADTF-K=139.2℃。而实验中发生热爆炸的电池表面温度正好处于该两极限模型条件下的温度区间。根据本作者前篇文章的分析，正极材料的热分解是导致电池发生热失控的重要原因。因此又通过两极限模型对正极材料导致电池热失控的自加速分解温度进行计算，分别求得为160.1℃（Semenov）和196.6℃（Frank-Kamenetskii）。意味着当电池温度达到这两者温度区间时，并未及时对电池进行冷却，电池将不可防止的发生热失控。

 

成果简介

 

小结：

 

本团队针对电池组热失控传递行为，通过实验发现了火焰冲刷对周围电池造成的非规律性失控和火焰冲刷下导致的爆炸隐患及其之前的"阴燃"阶段；为解释失控传播和"阴燃"阶段，本团队分析了电池内部电极材料的热物性参数，并使用两种极限热失控模型对其进行计算，得到的计算结果符合电池热爆炸前的"阴燃"阶段温度特性。本文为电池的大规模应用及安全预案设计供应了参考。但由于模型本身的局限性，无法较准确的得出电池热失控的临界状态。目前本团队已对模型进行修正，首次得出针对电池热失控的临界判据和计算模型，该成果将在不久的将来公布，敬请期待!

 

相关研究结果已发表在AppliedEnergy上

 

黄沛丰博士为论文的第一作者，王青松为通讯作者

 

PeifengHuang,PingPing,KeLi,HaodongChen,JianaYe,QingsongWang*,JenniferWen,JinhuaSun.ExperimentalandmodelinganalysisofthermalrunawaypropagationoverthelargeformatenergystoragebatterymodulewithLi4Ti5O12anode.Appliedenergy183(2016)659–673.

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