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循环老化三元锂离子电池热失控气体毒性研究

北京航空航天大学学报 2024年第6期50卷 1761-1769页

作者：张青松曲奕润中国民航大学民航热灾害防控与应急重点实验室天津300300

为研究高能量密度锂离子电池循环老化过程中热失控特性变化及释放气体的毒性危害,对不同循环老化程度的三元锂离子电池进行热滥用实验,利用气体传感器阵列,基于有效剂量分数模型对热失控气体毒性危害进行定量分析。结果表明,高镍含量三... 详细信息

为研究高能量密度锂离子电池循环老化过程中热失控特性变化及释放气体的毒性危害,对不同循环老化程度的三元锂离子电池进行热滥用实验,利用气体传感器阵列,基于有效剂量分数模型对热失控气体毒性危害进行定量分析。结果表明,高镍含量三元锂离子电池循环性能差,200次循环老化后,电池健康状态低于70%。老化电池更容易进入热失控状态,热失控反应更剧烈但释放能量少,释放气体燃烧效率低。在密闭空间内,电池热失控释放窒息性气体危害性比刺激性气体更高,150次循环老化电池的窒息性气体毒性累积效应比新鲜电池早638 s达到临界值1。随老化程度增加,最终电池的刺激性气体毒性即时效应与气体致死毒性即时效应降低,与新鲜电池相比,100次循环老化后,电池的刺激性气体毒性即时效应降低0.34,气体致死毒性即时效应降低0.19。研究结果可为老化电池安全性评估及热失控预警提供数据支撑。

关键词：三元锂离子电池热失控循环老化气体传感器阵列气体毒性分析

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三元锂离子电池热失控气体原位分析

高电压技术 2022年第7期48卷 2817-2825页

作者：张青松曲奕润郝朝龙刘添添陈达中国民航大学民航热灾害防控与应急重点实验室天津300300

针对传统检测技术无法原位分析锂离子电池热失控混合气体的问题,利用气体传感与拉曼光谱两种技术的耦合,研究了三元锂离子电池热滥用时释放的特征气体组分及其体积分数变化,通过自制的热滥用装置对不同荷电状态(state of charge,SOC)下... 详细信息

针对传统检测技术无法原位分析锂离子电池热失控混合气体的问题,利用气体传感与拉曼光谱两种技术的耦合,研究了三元锂离子电池热滥用时释放的特征气体组分及其体积分数变化,通过自制的热滥用装置对不同荷电状态(state of charge,SOC)下电池的热失控行为进行了综合分析,结果表明:电池安全阀开启温度和热失控起始温度随着SOC的增加而降低,电池最高表面温度和气体最高温度呈现相反的趋势;25%荷电状态下热失控最大压力最高,其他实验组热失控最大压力随SOC的增加而升高;传感器开始检测到气体增长趋势的时间比观测到燃爆现象的时刻至少提前了120 s;不同SOC电池热失控后装置内的CO_(2)、CO、H_(2)体积分数范围分别为1.70%~15.48%、1.32%~13.86%、0.59%~4.15%。研究结果可为评估电池安全性及热失控早期预警提供理论依据和技术支撑。

关键词：三元锂离子电池热失控拉曼光谱气体传感器原位气体检测

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电流过载工况下三元锂离子电池性能衰退机制

中国电机工程学报 2023年第20期43卷 7940-7947页

作者：王绥军胡晨孙召琴于冉金翼新能源与储能运行控制国家重点实验室(中国电力科学研究院有限公司) 北京市海淀区100192

三元锂离子电池在电动汽车和电力储能领域广泛应用,其寿命与安全是行业关注热点。该文研究25A×h商用三元锂离子电池在额定电流和2倍额定电流工况下,全寿命周期内性能衰退规律,并拆解循环后电池,表征关键电池材料,分析负极界面变化,从... 详细信息

三元锂离子电池在电动汽车和电力储能领域广泛应用,其寿命与安全是行业关注热点。该文研究25A×h商用三元锂离子电池在额定电流和2倍额定电流工况下,全寿命周期内性能衰退规律,并拆解循环后电池,表征关键电池材料,分析负极界面变化,从原子层级推演三元电池性能衰退机制。结果表明,在电流过载工况下,电池循环1500周前后性能出现加速衰退,并伴随满电直流内阻升高,库伦效率降低,电池产气等现象。这可能是由于过载电流加速正极材料中Ni^(3+)、Co^(3+)和Mn4+离子的析出,并迁移至负极表面催化电解液溶剂分解成小分子气体引起。过渡金属离子溶出、电池内阻增大以及电池产气,3个因素耦合加强,共同导致三元锂离子电池性能“跳水”现象。

关键词：三元锂离子电池全寿命周期梯次利用界面分析衰退机制

三元锂离子电池材料燃烧热值及爆炸当量分析研究

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电源技术 2023年第7期47卷 866-869页

作者：种晋宁德时代新能源科技股份有限公司福建宁德352000

锂离子电池因其能量密度大、高输出电压、无记忆效应以及长循环寿命等特点,在储能、汽车、航天和电子信息等工业领域得到了广泛的应用。然而随着动力锂离子电池热失控引发的火灾和爆炸事件时有发生,因此对锂离子电池各组分燃烧产生的能... 详细信息

锂离子电池因其能量密度大、高输出电压、无记忆效应以及长循环寿命等特点,在储能、汽车、航天和电子信息等工业领域得到了广泛的应用。然而随着动力锂离子电池热失控引发的火灾和爆炸事件时有发生,因此对锂离子电池各组分燃烧产生的能量及其爆炸当量进行分析研究具有极其重要的意义。建立了一种三元锂离子电池的爆炸危害评价模型,通过对多种型号的三元锂离子电池热失控残骸的分析,确认了三元锂离子电池热失控时的燃烧组分及各组分燃烧放热能量,并将该能量换算为爆炸死亡、重伤、轻伤和财产损失半径,从而直观呈现了其危害范围。

关键词：三元锂离子电池热失控燃烧爆炸爆炸危害模型

细水雾释放策略对大容量三元锂离子电池热失控火灾抑制效果的实验研究

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储能科学与技术 2023年第5期12卷 1664-1674页

作者：韩路豪王子阳何骁龙何春汕石晓龙姚斌中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室安徽合肥230026

动力电池中,大容量三元锂离子电池产量大、热失控危险性高,使用细水雾抑制其热失控火灾的研究受到广泛关注。本文以150 Ah大容量三元锂离子电池为研究对象,使用10 MPa细水雾分别采取连续释放策略和脉冲释放策略进行热失控火灾抑制实验,... 详细信息

动力电池中,大容量三元锂离子电池产量大、热失控危险性高,使用细水雾抑制其热失控火灾的研究受到广泛关注。本文以150 Ah大容量三元锂离子电池为研究对象,使用10 MPa细水雾分别采取连续释放策略和脉冲释放策略进行热失控火灾抑制实验,对比分析不同释放时间、脉冲周期、占空系数等参数对热失控行为、温度及产热速率等实验结果的影响,结果表明:相比普通容量的锂离子电池,大容量三元锂离子电池的热失控过程会反复发生多次更为剧烈的燃烧行为,温升速率增幅明显,但细水雾对其仍有较好的火灾抑制效果,且释放时间越长,灭火效果与冷却效果越好,但连续释放策略仍存在复燃现象,且随着释放时间的增加,冷却效率的增幅逐渐趋缓。针对大容量三元锂离子电池,脉冲释放策略的热失控火灾抑制能力优于连续释放策略,其能够快速扑灭明火且不发生复燃,有效降低了产热速率和电池表面最高温度。在本文条件下,耗水量为10 L、周期为10 s的脉冲细水雾,在占空系数为0.3时存在冷却效果的实验最优值,此时的脉冲释放与相同耗水量下的连续释放相比,产热速率下降了28%,电池表面最高温度下降了176℃。本文可为大容量三元动力电池系统的灭火设施设计提供参考。

关键词：三元锂离子电池热失控细水雾连续释放脉冲释放

过充、过热及其共同作用下车用三元锂离子电池热失控特性

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储能科学与技术 2023年第1期12卷 218-226页

作者：何骁龙石晓龙王子阳韩路豪姚斌中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室安徽合肥230026

锂离子电池作为目前电动汽车的主要能源电池,其在外界滥用条件下的热失控问题受到广泛关注,研究不同滥用下尤其是多种滥用共同作用下的电池热失控特性可有效提高电池使用安全性。本工作以车用50 Ah方型动力三元锂离子电池单体作为研究对... 详细信息

锂离子电池作为目前电动汽车的主要能源电池,其在外界滥用条件下的热失控问题受到广泛关注,研究不同滥用下尤其是多种滥用共同作用下的电池热失控特性可有效提高电池使用安全性。本工作以车用50 Ah方型动力三元锂离子电池单体作为研究对象,利用大功率充放电循环仪和电加热装置,进行了1 C倍率过充、150 W局部过热及其共同作用下的电池热失控实验。对不同工况下热失控实验现象、质量损失、温度变化、升温速率变化、升温部位和电压变化等实验结果进行对比分析,结果表明:过充过热共同作用下电池热失控具有更大危险性,电池热失控时间比单一滥用减少约35%,热失控时电池SOC比过充减小约35%,电池电压会出现“持续上升—突降至零”现象。本研究可为车用三元锂离子电池热管理系统安全设计提供参考。

关键词：三元锂离子电池热失控过充过热共同作用

含添加剂细水雾抑制三元锂离子电池火灾试验研究

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消防科学与技术 2022年第3期41卷 319-324页

作者：王赫朱顺兵张宇航南京工业大学安全科学与工程学院江苏南京211816 江苏省城市与工业安全重点实验室江苏南京211816

通过自主搭建的锂离子电池燃烧及灭火平台,以三元镍钴锰酸锂电池为研究对象,开展了含添加剂细水雾抑制三元锂离子电池火灾试验,从溶液表面张力、电池最高温度以及降温速率等方面综合分析溶液灭火机理及效果。试验中选择热滥用方式,采用... 详细信息

通过自主搭建的锂离子电池燃烧及灭火平台,以三元镍钴锰酸锂电池为研究对象,开展了含添加剂细水雾抑制三元锂离子电池火灾试验,从溶液表面张力、电池最高温度以及降温速率等方面综合分析溶液灭火机理及效果。试验中选择热滥用方式,采用加热炉加热,使三元锂离子电池发生热失控燃烧,采用高清摄像机记录全过程。选取十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、氯化钠、氯化钾、磷酸二氢铵、碳酰胺6种添加剂进行单一及复配溶液细水雾灭火试验。测量每种溶液的表面张力,分析其随溶液浓度的变化情况以及对灭火性能的影响,发现表面活性剂可使溶液的表面张力降低,提高细水雾雾化效果。而表面活性剂趋于饱和后,溶液的表面张力则基本保持稳定。用K型热电偶测量三元锂离子电池热失控及细水雾灭火过程中的温度,将测得的电池最高温度、降温速率等特征参数进行对比分析,结果表明,相比于纯水细水雾,含添加剂细水雾在雾化效果、稀释氧气以及阻断燃烧反应链等方面均有较大提升,且电池未发生复燃。十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、氯化钠、氯化钾、磷酸二氢铵、碳酰胺单一添加剂细水雾抑制三元锂离子电池火灾的最佳质量分数分别为1.5%、1%、8%、10%、10%、0.3%。在单一添加剂最佳灭火浓度的基础上进行复配,发现氯化钾与磷酸二氢铵两种添加剂单一灭火效果优于二者复配溶液,其间灭火作用存在相互抵消的现象。表面活性剂、碱金属盐与受热易分解物质3种添加剂共同作用时可以有效提高灭火效率,其中,十二烷基苯磺酸钠(1.5%)、氯化钾(10%)与磷酸二氢铵(10%)的复配溶液细水雾灭火效果最优。该复配溶液通过降低溶液的表面张力、减小细水雾雾滴粒径以及电离出金属离子与燃烧链中的自由基结合等多种机理协同发挥作用,吸收大量热量,得到较好的灭火效果。对含不同添加剂细水雾抑制三元锂离子电池热失控火灾展开了相关试验,在今后的研究中,可以选择更多不同类型以及浓度的添加剂进行复配试验,从高效、环保的角度充分考虑各种灭火剂的优缺点,为锂离子电池消防安全技术提供支撑。

关键词：三元锂离子电池添加剂细水雾灭火性能

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储能系统用三元锂离子电池热失控火灾特性

电源技术 2023年第3期47卷 328-331页

作者：李毓烜阚强崔海浩南方电网调峰调频发电有限公司广东广州510630 应急管理部天津消防研究所天津300381

锂离子电池是储能系统的重要组成部分,但储能系统用三元锂离子电池的热失控火灾特性尚未厘清,严重制约了此类储能设施消防控灭火手段的应用和储能行业的安全发展。通过储能系统用三元锂离子电池的热失控实验、量热实验和热扩展实验,研... 详细信息

锂离子电池是储能系统的重要组成部分,但储能系统用三元锂离子电池的热失控火灾特性尚未厘清,严重制约了此类储能设施消防控灭火手段的应用和储能行业的安全发展。通过储能系统用三元锂离子电池的热失控实验、量热实验和热扩展实验,研究了电池单体热失控和电池模组热扩展的发展规律。实验结果表明,储能系统用三元锂离子电池在热失控后会直接起火燃烧,释放出大量可燃气体,燃爆剧烈,会形成持续的喷射火,电池单体热失控容易触发相邻电池单体发生热失控,形成链式反应。

关键词：三元锂离子电池热失控量热实验热扩展

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用于电网储能的三元锂离子电池交流阻抗分析

电源技术 2022年第6期46卷 630-633页

作者：石海鹏高贺周立超张倩然国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院内蒙古呼和浩特010000

以三元锂离子电池为研究对象,通过模拟电网储能工况,测试得到电池交流阻抗谱(EIS),通过建立等效电路,研究欧姆阻抗R_(s)、电荷传递阻抗R_(p)和扩散阻抗随循环次数、环境温度、荷电状态(SOC)的变化规律。结果表明:在经过四个周期共1200... 详细信息

以三元锂离子电池为研究对象,通过模拟电网储能工况,测试得到电池交流阻抗谱(EIS),通过建立等效电路,研究欧姆阻抗R_(s)、电荷传递阻抗R_(p)和扩散阻抗随循环次数、环境温度、荷电状态(SOC)的变化规律。结果表明:在经过四个周期共1200次循环后,常温下电池容量保持率为92.0%,高温45℃下电池容量保持率为84.25%。电池欧姆内阻和电荷传递阻抗小幅增加,高温状态下变化趋势明显。容量衰减和EIS结果显示,三元锂离子电池适用于常温条件下的电网储能。

关键词：三元锂离子电池交流阻抗电网储能