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锂离子电池在开敞空间和腔室内燃烧特性研究

   次浏览   王青松课题   2020-10-16

锂离子电池在开敞空间和腔室内燃烧特性研究

引言

      锂离子电池因其良好的循环性能和较高的能量密度和得到广泛应用,但其易燃特性和引发的火灾危害也备受关注。已有研究中,锂离子电池燃烧实验常在缺乏点火和气体收集装置,电池往往燃烧不充分,且难以捕捉电池热失控启动时刻的影像。本研究设计了燃烧腔及点火装置,并开展了更为精细的锂离子电池燃烧实验,比较了不同条件下电池燃烧特性。

研究内容

     分别在开敞空间和燃烧腔内加热电池至热失控燃烧,将之命名为OS实验和CC实验。在OS实验中,主要关注电池的火焰高度和形态。在CC实验中,设置了燃烧腔和高温电热棒;其中燃烧腔为高18cm,内径10cm的不锈钢管,用于收集溢出气体和固体喷射物;电热棒温度可达700oC,可点燃电池泄压阀打开和热失控时的气体产物,促进电池的充分燃烧。

图1. 有燃烧腔条件下的实验设计图


研究结果与讨论

a. OS实验

      开敞空间实验中,电池火焰可能会被高速射流吹熄;未吹熄情形下,电池燃烧过程可分为几个阶段:火星喷射—多阶段火球及射流火—稳定燃烧—衰弱和熄灭。图2展示了锂离子电池燃烧过程,可观察到火球的旋转与分裂以及电极卷碎片的运动轨迹;P1和P2两个电极卷碎片的运动速度约30m/s。射流火焰高度随SOC增长而增长,当SOC由70%升高至100%,射流火焰高度增长至0.217m。

图2. 锂离子电池燃烧过程的高速影像

b. CC实验

      有燃烧腔条件下观测到两次轰燃现象,分别为泄压阀打开后溢出的电解液被点燃和电池热失控时的大量可燃气体被点燃。基于电池内部有机可燃成分的质量比例及热动力学参数,可以预测电池的理论燃烧热,为锂离子电池的火灾危险性评估提供指导。

图3. 有燃烧腔条件下的锂离子电池燃烧热测量及预测

 表1. CC实验中标准化后的电池燃烧热

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