三元锂离子电池组热失控阻隔及其传热特性实验研究.pdf
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1、第 12 卷 第 6 期2023 年 6 月Vol.12 No.6Jun.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology三元锂离子电池组热失控阻隔及其传热特性实验研究申锡江,段强领,秦鹏,王青松,孙金华(中国科学技术大学,安徽 合肥 230031)摘要:为了预防锂离子电池组内热失控传播引起的火灾爆炸事故,有必要在电池组中采取热阻隔措施延缓热失控过程。本工作以4块40 Ah方形NCM三元锂离子电池组成的电池组为研究对象,研究了不同隔热夹层对电池组热失控传播行为及传热特性的影响。结果表明,电池间无隔热夹层时,4块电池均发生剧烈的热失控行为且传热迅速
2、,诱发上游电池热失控30 s后,下游电池左侧温度已达到364.89,相邻电池间的热失控传播平均用时仅为99.33 s;在采用6 mm厚隔热棉和3 mm厚气凝胶作为隔热夹层时,热失控传播平均用时分别延长至644.33 s和1282.33 s;而采用6 mm气凝胶作为隔热夹层时,热失控传播过程被阻断。综合对隔热性能和电池组能量密度的考虑,本研究建议选择3 mm厚气凝胶作为电池组隔热材料。进一步建立了电池热失控过程中的传热计算模型,发现诱发电池热失控的热量有81.7%来自上游已发生热失控的电池,仅有18.3%源于电池自产热;本研究结果对锂离子电池模组的安全设计以及热失控传播阻隔材料的选择具有理论指导
3、意义。关键词:锂离子电池;热失控;阻隔;传热doi:10.19799/ki.2095-4239.2023.0043 中图分类号:TM 911 文献标志码:A 文章编号:2095-4239(2023)06-1862-10Experimental study on thermal runaway mitigation and heat transfer characteristics of ternary lithium-ion batteriesSHEN Xijiang,DUAN Qiangling,QIN Peng,WANG Qingsong,SUN Jinhua(University of
4、Science and Technology of China,Hefei 230031,Anhui,China)Abstract:It is required to exert thermal mitigation measures on batteries to delay the thermal runaway(TR)process and prevent fire and explosion accidents in lithium-ion battery packs,caused by TR propagation.Therefore,this study selected the
5、40 Ah square ternary lithium battery packs as the experimental object,in which the influence of inserting different heat mitigation plates between batteries on TR propagation and heat transfer characteristics was experimentally investigated.The experimental results show that the TR behavior and heat
6、 transfer rates of the batteries were severe and rapid,without any plates.The temperature of the left side of the downstream battery reached 364.89 after triggering the TR of the upstream battery for 30 s.The average interval time of TR propagation between adjacent batteries was 99.33 s.After insert
7、ing 6 mm thick cotton plates and 3 mm thick aerogel plates as mitigation interlayers,the average interval time was extended to 644.33 s and 1282.33 s,储能系统与工程收稿日期:2023-01-31;修改稿日期:2023-02-20。基金项目:国家重点研发计划(2021YFB2402001),国家自然科学基金(U2033204),合肥自然科学基金(2022019),中央高校基本科研业务费专项资金(WK5290000003)。第一作者:申锡江(1999
8、),男,硕士研究生,研究方向为锂离子电池热管理及热失控抑制,E-mail:;通讯作者:段强领,副教授,研究方向为新能源火灾安全,E-mail:。引用本文:申锡江,段强领,秦鹏,等.三元锂离子电池组热失控阻隔及其传热特性实验研究J.储能科学与技术,2023,12(6):1862-1871.Citation:SHEN Xijiang,DUAN Qiangling,QIN Peng,et al.Experimental study on thermal runaway mitigation and heat transfer characteristics of ternary lithium-io
9、n batteriesJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(6):1862-1871.第 6 期申锡江等:三元锂离子电池组热失控阻隔及其传热特性实验研究respectively.The TR process was entirely suppressed by inserting the 6 mm thick aerogel plates.Considering the battery packs thermal mitigation performance and energy density,a 3 mm thick aerogel
10、 plate a suitable thermal mitigation material for this study.The calculation model of heat transfer in the TR process was established.The analysis showed that 81.7%of the TR-inducing heat came from upstream batteries where TR happened,whereas only 18.3%of the heat came from self-generation.The resul
11、ts of this study can provide theoretical guidance for the safe design of lithium-ion battery modules and the selection of TR mitigation materials.Keywords:lithium-ion batteries;thermal runaway;mitigation;heat transfer作为绿色能源的重要储存载体,锂离子电池因其高电压、高比能量、长循环寿命等卓越性能,在电化学储能、电动汽车等领域有着广泛的应用,是助力实现国家“双碳”目标的有效途径1。
12、在国内储能、新能源汽车等蓬勃发展的背景下,锂离子电池需求量将持续增大2。然而,近年来由锂离子电池热失控引发的电池系统火灾爆炸事故频繁发生,引起了社会的广泛关注,是公共安全面临的新问题,已成为新能源汽车、储能等行业发展的痛点和技术瓶颈3。在电池系统中,锂离子电池密集排布,单一电池发生热失控后,则会引发整个电池组内发生连锁反应和热失控传播,造成严重热安全事故。因此,针对锂离子电池成组使用过程中面临的安全问题,亟需开展锂离子电池热失控传播行为及其热阻隔技术的研究,从而为电池系统火灾防控提供理论基础和技术支撑。国内外学者研究总结出诱发锂离子电池热失控的主要因素包括机械滥用(针刺、挤压等)、热滥用(温度
13、过高等)和电滥用(外短路、过充电、过放电等)4-5。单一电芯的热失控过程可以归纳为电芯内部化学能向热能的迅速转变,当电芯内部化学能转化为热能的速率远远超过热能逸散至环境中的速率时,电芯内部温度迅速上升,则引发电芯最终走向热失控,并伴随射流、火灾、爆炸等现象的出现。已有研究发现电池体系材料、电池容量和荷电状态(SOC)是影响电池热失控行为的关键因素6。电池组内热失控的传播通常首先由热失控电池向毗邻电池进行热传导、热辐射及热对流等多种形式的热传递,当毗邻电池吸收过多热量,满足其热失控条件时,则出现热失控传播行为。由此可知,在电池间建立一道热阻隔屏障,阻止热失控电池散发的热量向毗邻电池传递,是抑制热
14、失控传播的有效手段7-8。为实现电池间的热失控阻隔,通常采用在电池间设置空气间隙或填充阻燃材料的方法,以此阻止热量从上游热失控电池向下游的传递。Zhong等9对18650电池组采用电加热棒触发热失控,并研究加热功率和电池间距对热失控传播行为的影响,实验结果表明增大加热功率对相邻电池间的热失控传播用时影响较小,且在电池间设置4 mm间距能够有效阻止热失控传播。Lopez等10研究了电池间距和连接方式等电池模块设计参数对热失控传播的影响,实验结果表明电池间距增加后,电池温度和电压损失均下降,为尽量减小热失控传播和电池模块损坏的可能性,电池间的最小间距应不小于2 mm。但仅通过设置空气间隙阻隔热失控
15、传播将造成电池组能量密度低的缺陷,且无法阻隔电池热失控期间的射流火。Wilke等11使用相变材料(phase change material,PCM)来阻隔穿刺导致的热失控传播,对于临近热失控电池的单元,采用 PCM 后温度由189 下降到了109。Weng等12开发并研究了含有阻燃添加剂的复合PCM,阻燃添加剂质量分数较大时则PCM的冷却性能会有所降低,但对于阻隔热失控有更大的帮助。Weng等13研究了PCM和气凝胶组合后的散热及隔热能力,结果表明,PCM能够起到熄灭火焰的作用,但会导致热失控传播过程加速,气凝胶的加入则能有效延缓热失控传播。综上,虽然前人对锂离子电池系统热失控传播阻隔技术开
16、展了一定的研究,但大多数研究的对象为相对安全的磷酸铁锂离子电池或容量较小的18650电池,而对高比能量的方形三元锂离子电池的研究较少,且鲜有从热量传递的角度揭示热失控阻隔机制的相关研究。本工作以4块40 Ah三元锂18632023 年第 12 卷储能科学与技术离子电池形成的电池组为研究对象,研究不同种类和厚度的热阻隔板对电池热失控传播的抑制作用,分析热失控传播过程中的传热规律,揭示其热失控阻隔机理。1 实验1.1实验对象储能用40 Ah NCM三元锂离子电池如图1所示,其基本参数如表1所示。实验前电池均在室温下以0.5 C倍率恒流放电至截止电压3.0 V,然后以0.5 C恒流4.2 V恒压充电
17、至100%SOC,截止电流条件设置为0.02 C。电池充电完毕后,在室温下搁置24 h,确保电池稳定后进行实验。1.2实验方案实验过程中的电池布置方式如图2所示,4块方形电池之间通过隔热材料隔开并列放置。本工作同时开展了一组对照实验,电池组中各电池直接接触,无隔热材料阻隔。实验所用到的隔热棉热导率为0.07 W/(mK),气凝胶的热导率为 0.018 W/(mK)。实验中采用定制夹具将实验电池与尺寸相同的300 W不锈钢加热板夹紧,加热板紧贴1#电池左侧表面,并在夹具内侧放置6 mm气凝胶减少加热板及电池向夹具传热。实验全程采用高清摄像机进行实验现象记录,所采用的热电偶为直径1 mm的K型热电
18、偶,为了保证加热板和1#电池的充分接触,在1#电池左侧面不设置测温点,在其余电池表面各布置两处测温点,其具体布置位置如图3所示。全部实验采用加热板单面加热的方式触发热失控,本工作判断热失控的条件为:电池出现剧烈产气或射流等热失控行为;电池表面任一测温点温度上升速率超过 1/s,且持续 3 s 以上14。实验过程中,1#电池满足以上任一热失控判断条件时关闭加热板电源停止加热。图1实验电池Fig.1The test battery表1实验电池基本参数Table 1The basic parameters of the test battery参数标称容量/Ah额定电压/V放电终止电压/V充电终止电
19、压/V质量/kg工作温度范围/数值403.73.04.20.8-2060图2电池实验布置图Fig.2The experimental setup diagram图3热电偶布置示意图Fig.3Diagram of thermocouple1864第 6 期申锡江等:三元锂离子电池组热失控阻隔及其传热特性实验研究2 实验结果2.1电池间无阻隔实验结果2.1.1电池热失控行为无热阻隔措施下的电池组热失控传播行为特征如图4所示。实验开始后,启动加热板对1#电池左侧面进行加热,直至1#电池于实验开始后884 s出现明显热失控现象停止加热。1#电池在加热过程中受到单侧热源迅速加热,由于内部的双层卷芯结构在
20、厚度方向上热导率较低,电池单体内部具有较大的温度梯度,热量主要在电池加热侧聚积,导致1#电池左侧卷芯首先发生副反应,在电池内部产热的同时产生气体,随着温度逐渐升高,邻近的右侧卷芯开始发生副反应。随着产气量的增加,1#电池内部压力不断上升,超过压力阈值后1#电池安全阀打开。由于电池左侧卷芯经过长时间高温加热,内部反应较为充分,已发生隔膜熔化导致的大规模短路,在安全阀打开前,其热失控趋势已处于不可逆状态,1#电池在安全阀打开后迅速出现热失控现象。随着左侧卷芯温度在热失控过程中迅速升高,右侧卷芯在数秒的短暂延迟后随即发生热失控,1#电池的整体温度迅速上升。实验过程中,热失控电池的下游电池依次发生了热
21、失控,且各电池在安全阀打开的同时出现明显的射流火或射流烟气。其中,1#和2#电池热失控期间在安全阀口出现强烈的固气混合射流,图中红色物质为高温状态下的金属颗粒,同时夹有部分黑灰色固体颗粒,图中烟气的主要成分为电池内部自分解反应生成的可燃气体及粒径更小的固体颗粒15。3#和4#电池在热失控期间未出现明显的固体射流,而是喷射出大量烟气。2.1.2温度分布无热阻隔措施工况下,电池表面各测温点的温度分布如图5所示。图中灰色柱状部分在时间轴上的起点表示所对应的电池开始发生热失控,终点表示下一块电池开始发生热失控,但对于4#电池,终点表示4#电池温度达到最大值。在实验开始后,紧贴 1#电池左侧面的加热板温
22、度 Tf迅速上升至400 左右,并保持不变。在此过程中,1#电池Tb测温点温度缓慢上升,直至电池被持续加热884 s后,电池安全阀打开并发生热失控。1#电池发生热失控瞬间,Tf为369.36,与加热板温度一致;Tb为104.66。此时关闭加热板,由于1#电池内部的自产热,致使Tb温度迅速上升并达到555.37,但该温度并非热失控传播过程中该测温点的最大值。在1#电池热失控之后,尽管加热板停止加热,但1#电池温度远高于周围环境温度,同时通过热传导、热辐射及热对流三种方式与环境换热。此时通过热辐射及热对流散失的热量主要耗散于外界环境,电池系统当中的热失控传播过程主要基于热传导。1#电池通过热量传递
23、使下游2#电池温度不断升高,且 2#电池左右两侧的温差增大,1#电池图4无隔热工况下电池组内各电池的热失控情况Fig.4Thermal runaway process of batteries without heat insulation plates图5无隔热工况下电池的温度变化Fig.5The temperature curves of batteries without heat insulation plates18652023 年第 12 卷储能科学与技术发生热失控 30 s 后,2#电池左侧温度(Tf)已达到364.89,而右侧温度(Tb)为50.32。在957 s时,2#电池发
24、生热失控,此时其左侧温度已达到508.60,而右侧温度(Tb)仅为87.28。此时1#电池右侧温度Tb尚未达到最大值,其在2#电池热失控过程的产热下进一步上升。类似地,3#和4#电池发生热失控的时间分别为加热开始后的第1023 s和1182 s,电池间的热失控传播用时有逐渐延长的趋势。进一步地,从1#、2#和3#电池的温度变化可以发现,电池左侧受热面温度均在热失控发生后迅速达到峰值,但右侧面温度的升高却相对较缓,直到下游电池发生热失控后才达到峰值。无隔热措施工况下,从1#电池发生热失控传播至4#电池热失控的总时间为298 s,相邻两节电池的热失控传播平均时间仅为99.33 s,因此有必要在电池
25、间设置相应的热阻隔措施,延缓热失控传播过程,为安全逃生、救援提供时间。2.2电池间设置不同隔热材料实验结果对比2.2.1电池热失控行为图6展示了不同隔热材料夹层设置下所对应的图6不同隔热工况下电池的热失控过程Fig.6Thermal runaway process of batteries with different heat insulation plates1866第 6 期申锡江等:三元锂离子电池组热失控阻隔及其传热特性实验研究热失控传播行为特征。三组实验中用到的隔热材料分别为6 mm厚的隔热棉图6(a)、3 mm厚的气凝胶图6(b)和6 mm厚的气凝胶图6(c)。从热失控行为来看,6
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