过充过热下的磷酸铁锂电池热失控过程中的产热与产气行为研究

     2023-09-21 次浏览

引言

磷酸铁锂电池以优异的循环性能和较高的能量密度等优点，已经被广泛应用于电化学储能系统。然而，当磷酸铁锂电池在储能电站中受到过充或过热滥用时，电池内部的热积累会导致电池发生热失控以及起火/爆炸等安全问题，严重阻碍了电池的发展。在电池热失控事故中，产热与产气行为是导致电池安全事故进一步扩大的主要原因，但是目前对于大容量的磷酸铁锂电池在热失控过程中的产热和产气行为研究仍然存在不足。因此，本文主要比较研究了过充过热条件下86Ah的方形磷酸铁锂电池热失控过程中的产热与产气行为。

研究内容

中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室王青松课题组研究了过充过热下86 Ah方形磷酸铁锂电池热失控过程中的产热与产气行为，通过对电池表面温度和产气温度分析（图1），探讨了过充过热下电池安全阀打开的主要原因，并且定量分析了热失控过程中电池的产气量与气体成分，最后构建了窒息性气体评估模型，评估了电池热失控过程中释放气体的窒息性。

图1 过充过热下磷酸铁锂电池表面温度与电压随时间变化

研究结果与讨论

比较研究了过充和过热工况下磷酸铁锂电池热失控和产气行为，通过分析电池热失控温度、产气成分和产气量等参数，主要得出以下结论。

(1) 本文分析了过充过热下86Ah方形磷酸铁锂电池安全阀打开的主要原因。在过热情况下，安全阀打开主要是由于电池内部的电解液挥发导致，但过充工况下主要是由内部反应释放的气体引起的，磷酸铁锂电池的过充促进了电池内部气体的释放，导致了安全阀的提前打开。

(2) 磷酸铁锂电池热失控过程中释放的气体主要为CO2、C2H4、H2、CO和CH4（图2）。通过对以上5种气体的求和可知，在过充和过热下的总气体量分别为62.1 L和101.28 L。在过热情况下，XFED的峰值为11.6，远远高于过充情况下的7.7（图3）。在过热工况下，磷酸铁锂电池热失控发生之前产生的气体没有窒息性。然而，磷酸铁锂电池在过充电下产生的气体窒息性开始于热失控前1211秒。

(3) 过充过热下磷酸铁锂电池的总质量损失差异很小，但两种触发方式对质量损失率影响很大（图4）。过充工况下磷酸铁锂电池质量损失率有2个峰值，分别为-0.53 g/s和-1.84 g/s，在过热工况下质量损失率的2个峰值分别为- 4.3和-5.7 g/s，这表明在过热情况下磷酸铁锂电池的质量流量和气体释放速率比在过充工况下更大。

图2 磷酸铁锂电池热失控过程中产气成分与产气流量随时间变化

图3 过充过热下磷酸铁锂电池热失控过程窒息性气体评估

图4 过充过热下磷酸铁锂电池质量损失与质量损失率变化

成果简介

上述研究成果发表于Journal of Energy Storage期刊，贾壮壮为论文的第一作者，秦鹏和王青松为共同通讯作者。

Zhuangzhuang Jia, Shuping Wang, Peng Qin*, Changhao Li, Laifeng Song, Zhixiang Cheng, Kaiqiang Jin, Jinhua Sun, Qingsong Wang*. Comparative investigation of the thermal runaway and gas venting behaviors of large-format LiFePO4 batteries caused by overcharging and overheating, Journal of Energy Storage 61 (2023) 106791.

https://doi.org/10.1016/j.est.2023.106791