新闻资讯
通过科学和创新，我们帮助各行各业的客户满足当今和未来社会发展的需求。
密闭空间中电池热失控和火灾特性研究
2023-11-18 次浏览
引言
锂离子电池作为化学储能电源，具有能量密度高、循环寿命长，工作电压高等诸多优点，被广泛应用于电动汽车、混合动力汽车和储能电网等领域。然而由于其组成材料的高能量和易燃的特性，致使锂离子电池火灾和爆炸事故频繁发生。尤其是近年来，随着电池容量逐渐增大，电池的热失控火灾危险性进一步增加。在动力电池包系统中，电池以模组的形式放置在密闭箱体中。但是，密闭箱体对电池热失控和火灾危险性的影响尚不清楚。现有的研究中，电池火灾试验常在开敞空间中开展，因为没有密闭箱体，无法真正模拟失效电池在动力汽车中的热失控和火灾行为。因此，本文研究了开敞和密闭空间中电池热失控和火灾特性。
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以117Ah三元NCM811电池为研究对象，实验研究了开敞和密闭空间中电池的火灾危险性，同时探究了密闭空间下不同荷电状态电池热失控特性，分析了密闭箱体和荷电状态对电池火灾行为的影响，为锂离子电池的热失控预警和灭火提供理论指导和技术支撑。图1为密闭空间中电池热失控实验布置示意图。
图1 密闭空间中电池热失控实验布置示意图
研究结果与讨论
图2 开敞空间下100% SOC电池的火灾行为
图3 密闭空间100% SOC电池的火灾行为（带有观察窗）
图4 密闭空间100% SOC电池的火灾行为
如上图所示，密闭箱体对电池火灾行为具有较大影响。图2展示了100％ SOC电池的在开敞空间的火灾行为。电池会先后经历三个阶段，分别为安全阀破裂和火花喷射（Stage I）、射流火（Stage II）、衰减和熄灭（Stage III）。在封闭环境下，为了更好地观察火灾行为，密闭箱体上安装有观察窗。图3为密闭箱内100% SOC电池的火灾行为（带有观察窗），可以看到，在强烈的高温射流冲击下，箱体观察窗破裂，电池发生爆燃。在对密闭箱体进行加固和封闭后，仅在电池安全阀打开后发生瞬间燃烧，且可燃物质从对密闭箱体的泄压阀喷出后，并不会发生射流火。
图5 不同环境下的总产热和标准化峰值热释放速率
图6 密闭环境下的不同SOC电池总产热和标准化峰值热释放速率
密闭箱体可以有效抑制电池燃烧，但同时具有更大的潜在危险性。如图5和图6所示，在开敞环境实验中，电池峰值热释放速率可达到246.36 kW；在密闭箱中燃烧时，峰值热释放速率仅为26.29 kW。但是，箱体在强烈的高温射流冲击下，发生变形或破裂时，极易发生爆燃，峰值热释放速率可达到199.71 kW，具有更大的潜在危险性。因此，合理设计电池箱体的强度和箱体泄压阀具有重要意义。
成果简介
上述研究成果发表于Process Safety and Environmental Protection期刊，刘鹏杰为论文的第一作者，王青松为通讯作者。