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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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涉水锂离子电池的腐蚀与析氢风险研究

北京航空航天大学学报 2024年第7期50卷 2083-2092页

作者：张青松李东琪连晓雪中国民航大学民航热灾害防控与应急重点实验室天津300300 中国民航大学理学院天津300300

锂离子电池涉水事件频发,特别是沿海地区及海事应用方面常常遇到高盐度涉水事件。以18650型电池为样本,进行不同盐度条件下涉水锂离子电池的腐蚀与析氢风险实验研究。结果表明:锂离子电池涉水时首先发生电解和电化学腐蚀现象,盐度越高,... 详细信息

锂离子电池涉水事件频发,特别是沿海地区及海事应用方面常常遇到高盐度涉水事件。以18650型电池为样本,进行不同盐度条件下涉水锂离子电池的腐蚀与析氢风险实验研究。结果表明:锂离子电池涉水时首先发生电解和电化学腐蚀现象,盐度越高,这种现象越显著;腐蚀主要发生在阳极帽处,随着腐蚀进行,腐蚀孔向内部深入,直至电池彻底损坏;涉水中锂离子电池的质量损失速率与电压降呈正相关关系;腐蚀产物主要为氢氧化亚铁、氢氧化铁和氢氧化铝;涉水过程中阴极析出大量氢气,氢气产生速率与盐溶液浓度呈正相关关系;对于较封闭的应用环境极易达到氢气爆炸下限;轻度腐蚀后电池热失控过程的喷射程度较为剧烈,燃爆危险性较高;而过度腐蚀则会直接破坏电池结构,进而使电池完全失效。

关键词：锂离子电池安全涉水电池性能热失控析氢

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基于FDS的风扇舱双油池火温度变化特征

中国安全科学学报 2024年第1期34卷 133-139页

作者：程关兵叶豪辉中国民航大学航空工程学院天津300300 中国民航大学民航热灾害防控与应急重点实验室天津300300

航空发动机燃油泄漏形成的油池火威胁发动机运行和飞机安全,为描述风扇舱内油池火复杂的物理传播过程,开展双油池火温度变化特征的研究。首先,基于火灾动力学模拟软件(FDS)建立CFM56-7B发动机风扇舱物理计算模型;然后,比较Trent 800发... 详细信息

航空发动机燃油泄漏形成的油池火威胁发动机运行和飞机安全,为描述风扇舱内油池火复杂的物理传播过程,开展双油池火温度变化特征的研究。首先,基于火灾动力学模拟软件(FDS)建立CFM56-7B发动机风扇舱物理计算模型;然后,比较Trent 800发动机风扇舱单油池火温度计算值与试验值,验证网格独立性;最后,借助探测器和切片分析舱内双油池火的发展过程和温度变化特征。结果表明:双油池火温度在舱内环向上经历增加和振荡准稳态2个变化阶段,其变化幅度与探测器和油池的间距相关;油池火向左偏斜现象导致左半边温度较高;火焰在轴向上经历火羽流上浮、火焰开始融合、融合扩大和完全融合等阶段。

关键词：火灾动力学模拟(FDS) 风扇舱双油池火温度变化特征发动机

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不同倾角斜面下滑中正庚烷的火焰特性研究

消防科学与技术 2024年第2期43卷 149-155页

作者：李龙基黄鑫中国民航大学民航热灾害防控与应急重点实验室天津300300

为了研究正庚烷火焰形态、火焰亮度和火焰温度在下滑过程中随时间的变化趋势,分别利用倾角为25°和40°的斜面装置开展了正庚烷在斜面下滑过程中的燃烧试验。结果表明,在两种斜面下,由于试验箱体内冷热气流因密度不同导致其惯性大小差异... 详细信息

为了研究正庚烷火焰形态、火焰亮度和火焰温度在下滑过程中随时间的变化趋势,分别利用倾角为25°和40°的斜面装置开展了正庚烷在斜面下滑过程中的燃烧试验。结果表明,在两种斜面下,由于试验箱体内冷热气流因密度不同导致其惯性大小差异,使得箱体内部前后温度分布不均产生压差,在压差作用下火焰向试验箱体下滑方向倾斜;在竖直和水平两个方向加速度的综合影响下,火焰的长度缩短、倾角减小、高度降低,但亮度增强,并且斜面倾角的增加会加剧对其形态、亮度的影响,40°斜面下的火焰形态参数值分别比25°斜面的低6.21%、12.30%、6.72%,但火焰亮度比25°斜面下的高31.98%;此外,在下滑过程中正庚烷火焰因不稳定导致温度降低,40°和25°斜面下火焰温度分别降低了16.05%和22.22%。但40°斜面下的火焰温度比25°斜面下的高,这与竖直加速度减小造成的浮力效应减弱有关。

关键词：斜面下滑火焰形态火焰亮度火焰温度

基于热化学反应的聚碳酸酯热解模型构建及火灾响应预报方法

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复合材料学报 2024年

作者：李翰魏鹏冯振宇中国民航大学民航热灾害防控与应急重点实验室中国民航大学科技创新研究院中国民航大学安全科学与工程学院

为研究火灾环境下的聚合物火灾响应，考虑瞬态热能传递和热解气体传输过程，根据热化学反应机制，从能量和质量两个方面描述聚合物热解和燃烧过程，建立聚合物热解模型，提出了火灾响应预报方法。以聚碳酸酯为研究对象，预测其质量损失... 详细信息

为研究火灾环境下的聚合物火灾响应，考虑瞬态热能传递和热解气体传输过程，根据热化学反应机制，从能量和质量两个方面描述聚合物热解和燃烧过程，建立聚合物热解模型，提出了火灾响应预报方法。以聚碳酸酯为研究对象，预测其质量损失和热释放速率，并探究了50kW/m2单侧热流作用下材料在不同深度位置的热解和炭化规律。结果表明：该模型能够有效预测聚碳酸酯的质量损失和热释放特性；不同温升速率和热流密度条件下，模型计算得到的质量损失率峰值和平均热释放速率数值与实验结果吻合较好，误差分别低于6.0%和5.0%；三种热流密度下预测的点火时间与实验的误差分别为1.2%、8.6%和16%；相较于50kW/m2热流密度下的平均热释放速率，在75kW/m2和92kW/m2条件下所预测的平均热释放速率分别提高14.6%和27.4%。

关键词：聚合物材料火灾响应数值模拟热释放速率瞬态传热

双氢氧化物/官能化碳纳米管复合协效阻燃剂设计及应用

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消防科学与技术 2024年第3期43卷 405-411页

作者：代励刘恒均郭艺琳杨琪中国民航大学安全科学与工程学院天津300300 中国民航大学理学院天津300300 中国民航大学民航热灾害防控与应急重点实验室天津300300

环氧树脂(EPs)广泛应用于飞机结构部件中,为其开发高性能阻燃剂对提高飞机防火安全性具有重要现实意义。本研究通过一锅法在交织的官能化碳纳米管(F-CNTs)骨架上生长镁铝双金属氢氧化物(MgAl-LDH)纳米片,构建得到二者的复合结构MgAl-LDH... 详细信息

环氧树脂(EPs)广泛应用于飞机结构部件中,为其开发高性能阻燃剂对提高飞机防火安全性具有重要现实意义。本研究通过一锅法在交织的官能化碳纳米管(F-CNTs)骨架上生长镁铝双金属氢氧化物(MgAl-LDH)纳米片,构建得到二者的复合结构MgAl-LDH/F-CNTs。以MgAl-LDH/F-CNTs复合结构作为力学支撑,进一步负载CuMoO4纳米颗粒,最终得到适用于环氧树脂的MgAl-LDH/F-CNTs-CuMoO4协效阻燃剂。其中,MgAl-LDH/F-CNTs复合结构可助于实现各阻燃组分在环氧树脂聚合物基材中的均匀分散,相较于未经阻燃处理的环氧树脂材料,阻燃环氧树脂在燃烧测试中其峰值热释放速率可降低40.5%,总热释放量可降低7.49%,CO生成量和总烟气释放量可显著降低43.0%和26.3%,极限氧指数LOI提升38.2%,可见经阻燃处理后的EP复合材料阻燃性能显著提升。此外,经阻燃处理后环氧树脂拉伸、弯曲强度仅下降7.1%和22.4%,表明CNTs的添加以及MgAl-LDH/F-CNTs复合结构的构建能够有效补偿LDH添加对EP力学性能的影响。

关键词：双金属氢氧化物碳纳米管复合结构阻燃剂环氧树脂

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受限空间锂离子电池热失控热传递仿真研究

中国安全科学学报 2024年第6期34卷 65-72页

作者：张青松贾燕翟祺悦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 北京中航建研航空设计咨询有限公司北京100084

为探究锂离子电池在航空运输等受限空间条件下的热失控热传递来源及占比,以正极材料钴酸锂(LCO)的18650型锂离子电池(100%荷电状态)为研究对象。通过ANSYS Fluent软件建立锂离子电池热失控热传递模型,将第1节电池及其热失控产生的热解... 详细信息

为探究锂离子电池在航空运输等受限空间条件下的热失控热传递来源及占比,以正极材料钴酸锂(LCO)的18650型锂离子电池(100%荷电状态)为研究对象。通过ANSYS Fluent软件建立锂离子电池热失控热传递模型,将第1节电池及其热失控产生的热解气体作为热源,通过辐射传热和对流换热对第2节电池进行加热至热失控。研究结果表明:第2节电池达到热失控温度时,电池内部副反应产热占总能量的30.01%;第1节电池热失控产生的气体燃烧为第2节电池热失控提供能量,且占总能量的5.64%;第2节电池达到最高温度时,电池内部产热占比87.39%,气体燃烧提供的能量占比为1.76%;热解气体的燃烧虽然加速第2节电池的热失控进程,但提供的能量所占比例较小。

关键词：受限空间锂离子电池热失控热传递 Fluent 内部副反应气体燃烧

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高空机载灭火剂流动输运数值仿真

消防科学与技术 2024年第7期43卷 1001-1006页

作者：杨琪王鑫宇刘晶晶范怀良中国民航大学民航热灾害防控与应急重点实验室天津300300 合肥先进计算中心安徽合肥230088

为探究高空环境对飞机货舱灭火系统内灭火剂流动输运动态的影响,采用Fluent软件对一小型“哈龙”1301机载灭火系统装置管网中灭火剂的流动输运进行数值建模与仿真模拟,计算得到10000 m及13000 m高空下“哈龙”1301灭火剂在管网内的输运... 详细信息

为探究高空环境对飞机货舱灭火系统内灭火剂流动输运动态的影响,采用Fluent软件对一小型“哈龙”1301机载灭火系统装置管网中灭火剂的流动输运进行数值建模与仿真模拟,计算得到10000 m及13000 m高空下“哈龙”1301灭火剂在管网内的输运和释放动态,并与海平面高度下灭火剂输运释放过程中压力、相体积分数及相变传质速率三个特征变量进行对比分析。结果表明,高空环境下灭火剂的输运释放遵循“三阶段”,但高海拔环境不利于灭火剂的流动输运。该研究结果可为优化机载灭火系统在高空环境下的流动输运能力提供理论依据。

关键词：流体仿真航空消防机载灭火系统气液相变计算流体力学

铠甲催化剂助力锌-空气电池:氮掺杂石墨烯上超薄碳封装铁镍合金增强氧电催化

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Chinese Journal of Catalysis 2024年第3期58卷 206-215页

作者：郭一博薛圆媛周震中国民航大学科技创新研究院民航热灾害防控与应急重点实验室天津300300 南开大学材料科学与工程学院新能源材料化学研究所先进能源材料化学教育部重点实验室新能源转化与存储交叉科学中心天津300350 郑州大学化工学院河南郑州450001

改善氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)的缓慢动力学对促进可充电锌-空气电池的应用具有重要意义.在过去十年中,研究人员致力于开发不含贵金属的双功能氧电催化剂,包括过渡金属(铁、钴、镍和锰)、合金、氧化物、氮化物、氢氧化物和磷化... 详细信息

改善氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)的缓慢动力学对促进可充电锌-空气电池的应用具有重要意义.在过去十年中,研究人员致力于开发不含贵金属的双功能氧电催化剂,包括过渡金属(铁、钴、镍和锰)、合金、氧化物、氮化物、氢氧化物和磷化物,以进一步降低催化剂的成本,并提高其性能.研究表明,铁基催化剂表现出较好的ORR催化活性,而镍基催化剂在OER方面具有出色的性能,因此将铁和镍进行合金化组合成为一种实现高效双功能催化活性的有效方法.然而,反复的氧化还原反应会导致金属在水溶液中溶解,从而使得催化剂的耐久性变差.因此,如何在保证催化活性的同时提升催化剂的耐久性,成为了科研人员面临的一项重大挑战.构建铠甲催化剂被证明是解决上述问题的一种有效策略.本文通过热解三聚氰胺、葡萄糖和无机金属盐组成的混合物,成功制备了一种极具前景的铠甲催化剂FeNi@NC,其由掺杂氮的类石墨烯纳米片上超薄碳壳封装的铁镍合金纳米颗粒构成.扫描电镜、透射电镜、能量色散光谱、X射线吸收光谱和X射线衍射系列表征结果证明了碳壳封装铁镍合金纳米颗粒的形成,X射线光电子能谱证明催化剂中铁镍合金的电子向外层碳壳转移.电化学测试结果表明,FeNi@NC的ORR起始电位和半波电位与商业Pt/C催化剂相当,并且OER性能也与商业RuO2催化剂相近,展现出了良好的双功能催化活性.理论计算结果表明,内部铁镍合金的电子向外层氮掺杂碳壳转移,不仅活化了碳表面,还显著提升了催化剂的ORR和OER活性.这种电子转移促进了铁镍合金与氮掺杂碳壳之间的强协同效应,共同赋予了催化剂出色的双功能催化能力.此外,包裹在FeNi合金纳米颗粒周围的碳壳不仅为催化剂提供了结构支撑,还显著增强了易溶解合金物质的稳定性和耐久性.在多次循环伏安测试后,FeNi@NC催化剂仍然能够维持较高的催化性能,循环后的电镜表征进一步证实了催化剂结构的稳定性.FeNi@NC催化剂的高效催化活性、界面上快速的物质和电荷传输以及稳定的封装结构,使其在作为可充电锌-空气电池正极时展现出高功率密度和长循环稳定性.综上,本文研究了杂原子掺杂碳材料负载限域生长过渡金属合金的可控制备及其电催化反应机制,为锌-空气电池提供了一种新的解决方案.

关键词：锌-空气电池铠甲催化剂双功能电催化剂 FeNi合金碳壳