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锂离子电池热失控气体燃烧对热失控传播影响的量化方法

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北京航空航天大学学报 2023年第1期49卷 17-22页

作者：张青松刘添添赵子恒中国民航大学民航热灾害防控与应急重点实验室天津300300

为量化锂离子电池热失控过程产生热失控气体对热失控传播的影响,基于能量守恒方程和铜基电池量热法,提出了一种计算热失控气体燃烧对热失控传播贡献占比的方法。选取商用18650型电池,利用自主设计搭建的热失控气体释能测算实验平台获取... 详细信息

为量化锂离子电池热失控过程产生热失控气体对热失控传播的影响,基于能量守恒方程和铜基电池量热法,提出了一种计算热失控气体燃烧对热失控传播贡献占比的方法。选取商用18650型电池,利用自主设计搭建的热失控气体释能测算实验平台获取计算所需参数。实验结果表明:第1节电池热失控气体燃烧释放的能量在第2节电池热失控所需能量中占比达到5.42%,使第2节电池自产热增加了42%,热失控时间提前了29%。研究结果有助于进一步探索热失控传播过程中的能量传递效率,为单元层级和系统层级的电池安全设计提供理论支持。

关键词：锂离子电池气体热失控传播燃烧能量传递

隔热材料布局方式对280 Ah磷酸铁锂电池热失控传播抑制效果的影响

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储能科学与技术 2024年第2期13卷 495-502页

作者：雷旗开余胤彭鹏陈满金凯强王青松南方电网调峰调频发电有限公司储能科研院广东广州510000 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室安徽合肥230026

锂离子电池的热失控传播可能带来火灾甚至爆炸风险,这已成为阻止其进一步广泛应用的迫切问题。在本研究中,使用了玻纤气凝胶和陶瓷纤维毡来抑制电池的热失控传播,探索了隔热材料的种类及厚度对抑制效果的影响。进一步设计了单块阻隔和... 详细信息

锂离子电池的热失控传播可能带来火灾甚至爆炸风险,这已成为阻止其进一步广泛应用的迫切问题。在本研究中,使用了玻纤气凝胶和陶瓷纤维毡来抑制电池的热失控传播,探索了隔热材料的种类及厚度对抑制效果的影响。进一步设计了单块阻隔和间隔阻隔两种模式,前者表示每隔一块电池放置一片隔热材料,后者表示每隔两块电池放置一片隔热材料。研究结果显示,在单块阻隔模组中,2 mm和1 mm厚度的玻纤气凝胶都能有效阻止热失控传播,受保护电池的前后表面温升分别为193.6℃、86.1℃以及222.6℃、86.8℃;而2 mm厚度的陶瓷纤维毡则只能延缓热失控传播的速度,无法完全阻止。在间隔阻隔模组中,使用2 mm玻纤气凝胶进行阻隔时,受保护电池的前后表面温升分别为168.3℃、56℃,这说明在遭受滥用条件时,间隔阻隔模组对电池的保护效果更加优异。本方案在一定程度上缓解了隔热材料使用及模组能量密度之间的矛盾,对锂离子电池模组的安全设计具有重要的理论指导意义。

关键词：锂离子电池安全热失控传播预防隔热材料布局方式

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锂离子电池模组热失控传播实验研究

上海理工大学学报 2024年第5期46卷 525-532页

作者：陈龙张振东盛雷朱亚宁朱泽华呼延吉上海理工大学机械工程学院上海200093 延擎电子科技(宁波)有限公司宁波315321

为了提升电池热安全和汽车可靠性,开展电池模组热失控传播研究。针对圆柱形21700锂离子电池的热失控传播特性,通过实验研究了电池荷电状态、单体间距等因素对21700锂离子电池模组多维度热失控传播行为的影响。发现电池热失控轴向传播要... 详细信息

为了提升电池热安全和汽车可靠性,开展电池模组热失控传播研究。针对圆柱形21700锂离子电池的热失控传播特性,通过实验研究了电池荷电状态、单体间距等因素对21700锂离子电池模组多维度热失控传播行为的影响。发现电池热失控轴向传播要快于径向。在电池满电状态,间距2.0 mm时,热失控轴向传播要比径向快97 s,并且随着电池电量的降低和间距的增大,热失控传播速度变慢。在电池间距为2.0 mm时,30%和50%荷电状态分别是轴向和径向电池的安全荷电状态。在电池满电状态时,6.0 mm和4.0 mm分别是轴向和径向电池的安全距离。研究结果可为电池的存储、运输以及电动汽车的电池模组设计等提供借鉴。

关键词： 21700锂离子电池模组热失控传播多维度荷电状态电池间距

锂离子电池热失控传播特性及其抑制策略研究进展

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储能科学与技术 2024年第7期13卷 2470-2482页

作者：陈国贺吕培召李孟涵饶中浩河北工业大学能源与环境工程学院先进储能技术与装备河北省工程研究中心天津300401 河北工业大学能源与环境工程学院河北省热科学与能源清洁利用技术重点实验室天津300401

锂离子电池以其能量密度高、生命周期长和自放电率低等优点,被广泛应用于电动汽车、储能电站等诸多领域。近年来,锂离子电池安全事故频发,尤其是高比能锂离子电池的安全性,是制约其发展的瓶颈问题。锂离子电池热失控机理、热失控传播特... 详细信息

锂离子电池以其能量密度高、生命周期长和自放电率低等优点,被广泛应用于电动汽车、储能电站等诸多领域。近年来,锂离子电池安全事故频发,尤其是高比能锂离子电池的安全性,是制约其发展的瓶颈问题。锂离子电池热失控机理、热失控传播特性、抑制热失控传播策略等是提高电池安全性的重要研究领域。因此,本文介绍了锂离子电池热失控的链式放热副反应导致电池内部产热、升温、产气及排气过程,分析了锂离子电池热失控过程热量在电池模组中的传播路径,总结了热失控触发方式、电池连接方式、电池排列方式、环境条件、电池正极材料、电池充电倍率、电池间距和电池荷电状态等因素对电池热失控传播特性的影响,重点分析了空气冷却、液冷板冷却、浸没式冷却、相变材料、高导热材料、隔热材料和多种热管理技术组合等策略抑制锂离子电池的热失控传播的效果。在此基础上,本文对锂离子电池热失控传播机理、仿真和抑制策略提供了方向和思路,对提升锂离子电池的安全性,促进电化学储能技术的发展与应用具有重要意义。

关键词：热失控热失控传播电池热管理锂离子电池

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荷电状态和电池排列对锂离子电池热失控传播的影响

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储能科学与技术 2022年第8期11卷 2519-2525页

作者：张青松赵洋刘添添中国民航大学民航热灾害防控与应急重点实验室天津300300

当前锂离子电池热失控传播特性研究主要聚焦于电池形态和触发方式,本研究采用自行研制的锂电池阵列级联热失控实验平台,对不同荷电状态(state of charge,SOC)及不同排列间隔的锂离子电池热失控传播特性开展研究。结果表明:热失控传播速... 详细信息

当前锂离子电池热失控传播特性研究主要聚焦于电池形态和触发方式,本研究采用自行研制的锂电池阵列级联热失控实验平台,对不同荷电状态(state of charge,SOC)及不同排列间隔的锂离子电池热失控传播特性开展研究。结果表明:热失控传播速度随着SOC的增加而加快,100%SOC电池组中热失控传播结束时间比70%SOC电池组热失控传播结束时间少70 s,100%SOC电池组热失控最高温度可达621.81℃,50%SOC的电池不会出现热失控传播现象;对于100%SOC的电池,电池间横向间距越大,热失控越难在电池组之间传播,当电池间横向间距为3 mm时,热失控不会在电池组中传播。电池间的热失控主要以层传层的形式传播。本研究对优化电池布置、防止和控制电池热失控传播具有较高的应用价值。

关键词：锂离子电池荷电状态电池排列热失控传播

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大容量储能电池模组热失控传播行为与燃爆风险分析

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储能科学与技术 2024年第8期13卷 2803-2812页

作者：陈晔李晋吴候福张少禹储玉喜卓萍应急管理部天津消防研究所天津300381 工业与公共建筑火灾防控技术应急管理部重点实验室天津300381 天津市消防安全技术重点实验室天津300381 广州鹏辉能源科技股份有限公司广州广东511400

锂离子电池热失控引发的储能系统火灾爆炸问题长期制约着产业发展。为了探究实际应用场景下大容量储能电池、电池模组的热失控及其传播行为与燃爆风险,本文以储能用280 Ah磷酸铁锂电池及其组成的1P48S电池模组为研究对象,对热滥用条件... 详细信息

锂离子电池热失控引发的储能系统火灾爆炸问题长期制约着产业发展。为了探究实际应用场景下大容量储能电池、电池模组的热失控及其传播行为与燃爆风险,本文以储能用280 Ah磷酸铁锂电池及其组成的1P48S电池模组为研究对象,对热滥用条件下电池单体产热、产气特征以及真实模组内热失控蔓延特征进行了实验研究,并基于试验产气结果,对2种典型储能应用场景下因模组热失控传播而导致的燃爆风险进行了分析,结果表明:电池单体热失控产生最高温度为380.1℃,热失控释放混合气体总量为156.8 L,混合气体爆炸极限为6.9%~35.5%;模组内设置的隔热板有效阻隔了热失控蔓延,其间未设隔热板的6块电池发生了热失控,热失控电池表面最高温度超1200℃,热失控传播速度为0.162~0.233 mm/s,同时在热失控高温影响下模组箱体外部上表面温度最高达281.3℃;模组内6块电池热失控会导致预制舱式储能系统较高燃爆风险,应将热失控传播控制在2块电池以内,但模组内1块电池从开阀产气至热失控的过程中便会导致工商业用储能柜较高的燃爆风险。该研究可为储能电池模组安全设计和储能系统防爆设计提供参考。

关键词：电化学储能电池模组热失控传播燃爆风险

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考虑性能热衰减和热失控传播的大规模电池储能系统可靠性建模与评估

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中国电机工程学报 2023年第6期43卷 2202-2211页

作者：李思颖叶承晋丁一包铭磊尹逊虎高强浙江大学电气工程学院浙江省杭州市310027 国网浙江省电力有限公司浙江省杭州市310007

功率、能量密度相对均衡的大规模电池储能在新型电力系统中具有广阔应用前景。然而,电池储能的可靠运行与工作环境温度强相关。一方面,异常温度加快电池容量衰减;另一方面,热失控现象极易导致系统严重故障,但现有关于电池储能系统可靠... 详细信息

功率、能量密度相对均衡的大规模电池储能在新型电力系统中具有广阔应用前景。然而,电池储能的可靠运行与工作环境温度强相关。一方面,异常温度加快电池容量衰减;另一方面,热失控现象极易导致系统严重故障,但现有关于电池储能系统可靠性的研究未有效考虑热效应及其传播的影响。针对此问题,该文提出计及性能热衰减和热失控传播的大规模电池储能系统可靠性分析方法。首先,构建考虑拓扑结构的电池储能系统模糊多状态模型,在故障数据相对缺乏的条件下科学描述电池正常、衰减、完全故障等性能水平和对应概率;结合电池循环寿命模型以及性能分布均值与温度的随变关系,量化不同环境温度下,电池在各时刻的性能衰减程度。然后,从电池组内热量传递角度,建立电池储能系统热失控传播模型,以预测不同电池达到热失控临界温度的时序。在此基础上,构建电池储能系统可靠性评估指标和流程。最后,结合测试系统验证所提模型和方法的有效性,说明单个电池高温下的性能突变对整个储能系统的性能有明显影响。

关键词：电池储能系统可靠性建模模糊集理论多状态系统热失控传播

不同灭火剂抑制锂离子电池热失控传播试验研究

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安全与环境学报 2024年第7期24卷 2585-2592页

作者：张林汪书苹许佳佳朱太云姜丽华李昌豪王青松中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室合肥230000 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院电力火灾与安全防护安徽省重点实验室(国家电网公司输变电设施火灾防护实验室)合肥230601

对于锂离子电池模组火灾,灭火剂能否抑制热失控传播非常重要。搭建了适用于多种灭火介质的测试平台,比较了不同灭火剂的冷却能力及抑制热失控传播能力。结果表明,对于三元锂离子电池,热失控后伴随的高温是热失控难以抑制的关键。当电池... 详细信息

对于锂离子电池模组火灾,灭火剂能否抑制热失控传播非常重要。搭建了适用于多种灭火介质的测试平台,比较了不同灭火剂的冷却能力及抑制热失控传播能力。结果表明,对于三元锂离子电池,热失控后伴随的高温是热失控难以抑制的关键。当电池模组内一个电池发生热失控后,热失控将在短时间内蔓延整个模组,热失控传播非常迅速。因此,灭火剂的冷却能力至关重要。水喷淋、全氟己酮和七氟丙烷都可以快速扑灭明火。其中,降温效果从优到劣依次为水喷淋、全氟己酮和七氟丙烷。水喷淋可以有效阻止电池模组内的热失控传播,而全氟己酮和七氟丙烷仅能延缓热失控传播,全氟己酮的抑制效果优于七氟丙烷。研究结果可为电池模组的灭火设计提供试验支撑。

关键词：安全工程锂离子电池热失控传播火灾抑制灭火介质

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纳米纤维材料对锂电池热失控传播影响研究

消防科学与技术 2023年第10期42卷 1322-1327页

作者：张青松杨铠宾赵洋中国民航大学安全科学与工程学院天津300300 民航热灾害防控与应急重点实验室天津300300

锂电池在运输以及使用过程中的磕碰、外短路等原因造成的热失控极易诱发周边电池升温,导致热失控蔓延。为控制锂电池热失控传播,本文使用纳米纤维材料对热量传播进行抑制,以瓦楞纸、陶瓷纤维和玻璃纤维作为间隔材料展开锂电池热失控试验... 详细信息

锂电池在运输以及使用过程中的磕碰、外短路等原因造成的热失控极易诱发周边电池升温,导致热失控蔓延。为控制锂电池热失控传播,本文使用纳米纤维材料对热量传播进行抑制,以瓦楞纸、陶瓷纤维和玻璃纤维作为间隔材料展开锂电池热失控试验,从隔热性和耐火性两方面对隔热材料进行评估。结果表明:虽然纳米纤维材料的保温性能会促使首节电池更快进入热失控状态,但由于其良好的隔热性能,锂电池热失控的传播可以被有效抑制。对首节电池燃爆过程中隔热材料的热流密度进行测算,发现陶瓷纤维纸的热通量峰值更低,纳米纤维材料的隔热性能要优于瓦楞纸。同时对3种材料耐火性进行试验,判定电池燃爆时材料的可靠性,发现瓦楞纸极易燃烧,而纳米纤维材料具有良好的热稳定性。结果证明了纳米材料作为锂电池运输间隔材料的可行性。

关键词：锂电池热失控传播纳米纤维材料燃爆温度