航空压力环境对锂离子电池热解气体爆炸极限影响*

针对航空锂离子电池热失控释放气体安全性研究不足的问题,采用气体拉曼光谱技术、气相色谱仪(Gas Chromatography,GC)和质谱(Mass Spectroscopy,MS)耦合来探究压力和荷电状态(State of Charge,SOC)对锂离子电池早期故障气体类型、气体动态演变及气体潜在危险性等特征的影响规律,同时综合考虑压力、电压和电池温度等多种因素分析锂离子电池热失控危害。研究结果表明:电池SOC越高且环境压力越低,电池越早触发热失控,爆炸极限越宽,其中30 kPa下100%SOC电池热解气体爆炸极限为8.01%~53.35%;SOC和环境压力越高,电池热失控越危险,释放的气体体积越多;CO,CO2,PF3,C2H4及电解液（C3H6O2、C3H6O3、C4H8O2）等气体可作为航空锂离子电池早期故障诊断特征。研究结果对保障锂离子电池在航空领域的安全运输及应用具有重要意义。     

锂离子电池燃爆特征及空运安全性研究

为解决与锂离子电池热失控有关的空运安全问题,利用自主设计的锂电池火灾试验平台,对不同包装、数量及荷电状态(SOC)的18650型锂离子电池开展燃爆试验研究。观察锂离子电池热失控现象,进行阶段划分,研究锂离子电池热失控传播过程;记录不同条件下锂离子电池初爆响应时间、燃爆峰值温度及峰值温度持续时间,考察不同包装、数量及SOC对锂离子电池空运安全的影响。结果表明:锂离子电池燃烧可分为初爆和燃爆2个阶段,一节电池热失控可形成连锁燃烧反应;电池热稳定性随SOC增大而显著降低;空运电池数量严重影响空运安全;用瓦楞纸包装时,燃爆峰值温度高达820℃,不能提高锂离子电池安全性。     

低压环境对锂电池热失控释放温度影响

为研究锂电池在民航飞行低压特殊环境的安全性及发生热失控灾害后的高温危险性,通过可模拟飞行变动条件的动压变温实验舱开展系列实验,研究锂电池在不同低压环境下的（101,60,30 kPa）多节18650型锂离子电池热失控温度特性,采集电池池体温度及热失控喷射释放温度等参数。研究结果表明:随环境压力降低,圆柱锂电池间的热失控传播并不能被阻断,但锂电池热失控灾害所释放产生的高温区域减少,且高温持续时间变短,释放所产生温度的高温危险性随环境压力的降低而有所降低。     

不同荷电状态下三元锂离子电池针刺热失控试验研究

基于锂离子电池实际存储与应用的普遍性和危险性,利用自主设计并搭建的试验平台,分别对不同荷电状态(SOC)的锂离子电池进行了针刺热失控试验.利用直径5 mm的钨钢针触发圆柱形21700三元锂离子电池热失控,记录其试验现象,测定锂离子电池的温度、开路电压与质量等参数.结果表明:锂离子电池SOC越高,针刺时发生热失控的现象越剧烈,且当锂离子电池SOC高于60％时,电池各测温点的最高温度都在电池正极处,电池外表面的温度峰值均高于电池内部的温度峰值;随针刺的锂离子电池SOC增大,电池各测温点温度峰值升高,电池正极处到达峰值所需时间变短;不同荷电状态的锂离子电池在进行针刺试验后,两端开路电压掉落的时间点不同,电池SOC越高,开路电压掉落的时间越快,在发生针刺后三元锂离子电池安全阀能保护电池不发生明显热失控现象的最大SOC在60％左右;SOC越高的锂离子电池在发生热失控过程中电池损坏越严重,其质量损失率越大.     

不同外热功率下18650锂离子电池热失控特性*

为探究不同外热功率（220,170,120,70 W）下锂离子电池的热失控特性,采用动压变温实验舱作为燃爆实验舱,并利用量热仪和ISO-9705烟气分析仪监测特征参数,对荷电状态（SOC）为100%的18650型锂离子电池进行高温热失控实验。结果表明:在不同的外热功率条件下,锂离子电池进入热失控的过程呈现出相似的趋势,但是各阶段的特性却存在差异。池体表面中心温度、HRR,THR和耗氧量均随外热功率的降低而降低。高外热功率下燃爆响应时间点明显提前,池体温度更高,220 W外热功率下,燃爆响时间点为176 s,池体温度为720.6 ℃,比70 W时提前366 s,高210.03 ℃,可见高外热功率时,电池热危害性更高。热解烟气CO的峰值体积百分比浓度随着外热功率的降低而升高,而CxHy的峰值质量百分比浓度降低,,CO2的峰值体积百分比浓度降低。在70 W外热功率时,CO峰值体积百分比浓度高达0.322%,220 W时CO峰值体积百分比浓度仅为0.165%,说明低外热功率时,电池毒危害性更高。     

低压环境下不同三元圆柱锂电池热失控危险特性对比研究

为研究21700和18650新旧2型多用途锂离子电池在航空运输低压环境下的热失控特性差异，采用动压变温实验舱搭建实验平台开展实验。将实验环境压力设定为飞机巡航时的环境压力30 kPa，对比常压101 kPa，使用外部热源加热的方式触发锂电池热失控，利用热传播引发相邻电池热失控，分别从热失控温度变化特性、热释放速率和热解气体组分浓度变化进行分析。研究结果表明:能量密度更高的21700电池热失控峰值温度更高，高温危险性要高于18650电池，但触发热失控所需的热量更多，电池间热传播时间会延长；低压环境有利于降低锂电池热失控燃爆峰值温度，减小燃爆热释放速率，但会产生更多CxHy和CO等具有燃爆性的热解气体，可能会在有限空间内与氧气混合引起二次燃爆。     

不同环境体系下锂离子电池热失控特性实验研究

针对锂离子电池热失控引发的航空运输安全问题,自主设计并搭建锂离子电池热失控灾害演化及危险性分析实验平台。在敞开和密封环境体系下,对电加热触发荷电量(State of Charge,SOC)为0%、50%和100%的18650型锂离子电池热失控规律进行了实验研究。观察单体锂离子电池在敞开和密封体系中的热失控现象,并记录单体锂离子电池热失控时间、温度峰值及相应的温度变化。数据结果显示,相比敞开体系,密封体系有效的延缓了锂离子电池发生热失控的时间,并降低了锂离子热失控时释放的能量,为锂离子电池的航空运输安全性研究提供了理论依据和工程技术参考。     

不同加热功率触发锂离子电池热失控特性研究

针对目前频发的锂离子电池热失控事故,自主设计并搭建了圆柱形锂离子电池热失控实验平台,对不同加热功率触发的锂离子电池热失控过程进行了实验研究。数据结果表明,外在热源功率对锂离子电池热失控行为影响很大。锂离子电池热失控过程中响应温度随加热棒功率的升高而降低,而最高温度随加热棒功率的升高而升高。通过对不同加热功率触发锂离子电池热失控特性的研究,可为锂离子电池的储存和运输安全性研究提供理论依据和工程技术参考。     

低压下不同新型清洁气体灭火剂抑灭21700型锂离子电池火研究

为探究在航空运输低压环境下Novec1230（全氟己酮）和2-BTP（2-溴-3,3,3三氟丙烯）2种新型清洁气体灭火剂扑灭和抑制空运锂离子电池火的效果,基于动压变温实验舱,自主设计了适用于气体灭火剂的实验灭火装置;在40,60,80 kPa 3种环境压力梯度下开展灭火实验,分析了施加2种灭火剂前后锂电池表面温度变化和灭火过程中的实验现象。结果表明:低压下2-BTP和Novec1230均能有效降低锂离子电池火焰中自由基浓度,快速扑灭明火;2-BTP的降温和抑制温升效果明显优于Novec1230,能更好地抑制锂电池之间的连锁热失控。研究结果可为新一代机载灭火剂的选择提供参考。     

高温环境下18650型锂离子电池热失控过程的数值分析

采用ANSYS对高温条件下铜棒代替锂离子电池的空白试验进行数值模拟,获得拟合的陶瓷化纤棉毯的比热容;然后对18650型锂离子电池的热响应进行模拟,通过模拟结果与试验数据的比较分析,获得锂离子电池内部的反应放热量;最后应用得出的陶瓷化纤棉毯比热容和化学反应热对高温环境下18650型锂离子电池的热失控进行模拟,研究18650型锂离子电池热失控的变化规律.结果表明:20W加热条件下,锂离子电池的放热反应热为30 kJ;锂离子电池在加热1 287 s后发生热失控,热失控持续113 s后锂离子电池温度达最高,之后开始缓慢减小;锂离子电池热失控温度为500 K,热失控前温度几乎是线性增加,之后热失控导致温度迅速增加(呈指数倍增长);锂离子电池保温材料陶瓷化纤棉毯的温度变化是非线性的.     

锂离子电池热解气体爆炸极限测定及其危险性分析

为定量研究锂离子电池热失控的危险性,利用锂离子电池在滥用条件下释放气体的种类及体积分数,计算锂离子电池热解气体爆炸极限并研究锂电池荷电状态对热解气体爆炸极限的影响。结果表明:在一定热失控条件下锂离子电池荷电状态为100%时其热解气爆炸下限为6.22%,上限为38.4%,在相同热失控条件下,锂离子电池热解气体的爆炸极限范围随着荷电状态的升高而增大,锂电池的荷电状态对热解气体的爆炸上限影响较大而对爆炸下限影响较小。在相似条件下,锂离子电池热解气体的爆炸极限范围比普通烃类气体大,一旦锂电池发生热失控会对锂离子电池运输造成潜在威胁。     

基于火探管式的锂离子电池灭火技术研究

为研究锂离子电池灭火方案,基于火探管灭火技术同时利用新型清洁灭火剂Novec 1230,组装成火探管灭火系统。在灭火测试平台上以功率为200 W的电热管作为外热源引发单电池或电池模组热失控,通过改变火探管的布置位置,记录相应的灭火行为以及灭火效率,并对实验结果进行了分析。研究结果表明,当火探管灭火系统直接布置在电池正上方时,在起火后的5.6s内控制火情;随着灭火剂用量增加可以显著降低体系温度,防止电池复燃以及连锁热失控现象发生;火探管有效覆盖区域外的失控电池作为热源将继续加热临近电池,引发连锁热失控,造成灭火系统失效;根据电池热失控后的燃烧行为以及传热行为,提出相应的火探管灭火系统复合方案。     

钛酸锂电池在绝热环境中循环的热响应特性

钛酸锂电池广泛应用于储能系统,其安全性也备受关注。采用加速量热仪与电池循环仪联用技术,对钛酸锂电池在循环过程中的热响应情况进行了研究。研究表明,测试电池在放电和充电阶段均有明显的小幅度温升现象。通过测试电池在不同倍率下的产热情况,发现电池在各循环阶段的绝热产热量与循环倍率成正比,其热失控危险性也随着循环倍率的增大而增加。     

锂离子电池组热失控蔓延热传递机制的影响研究

分析通风和电池组数量对电池组热失控发展蔓延热传递机制的影响。选择荷电状态(SOC)为100%的镍钴锰(NCM523)三元锂离子动力电池组作为研究对象,改变电池组底部外加热源的热流量和加热时间,利用多物理场仿真软件COMSOL,进行热滥用导致不同风速通风环境和不同电池数量电池组热失控过程的模拟。结果表明:随着风速不断增大,电池组和周围环境的对流换热损失增强,电池组热失控蔓延进程受到了有效抑制。受热传导模式的影响,电池组数量和排列方式不同,电池组热失控蔓延的路线不同。越靠近外部热源的电池,触发热失控越早,触发热失控的起始温度越高;电池组所含电池数量越多,触发电池组热失控所需的热流量越大,但第一块电池热失控以后,后续电池触发热失控的时间间隔急剧缩短,电池组热失控后果的严重度增加。