發(fā)布時間：2021-05-19 08:45

  由于電壓高、循環(huán)性能好、比能量高、對環(huán)境污染小等優(yōu)點,鋰離子電池成為大多數(shù)電子器件的動力電源和用于調(diào)峰調(diào)頻的儲能電源。隨著電池新材料技術(shù)的發(fā)展,電池的能量密度和電化學性能得到很大的提升,但這往往也帶來安全性能的下降,易發(fā)生電池火災爆炸事故。本文主要開展了以下研究:研制了大型鋰離子電池火災危險性測試平臺,研究了 50Ah磷酸鐵鋰/石墨、三元/鈦酸鋰單體電池的火災危險性,揭示了荷電狀態(tài)、電極材料對大型鋰離子電池火災行為的影響規(guī)律。針對于大型電池,建立了可測量熱釋放速率、表面溫度、質(zhì)量損失及燃燒行為的實驗平臺。研究結(jié)果表明,在高荷電狀態(tài)下,電池燃燒出現(xiàn)多次射流火行為,且在第二次射流階段溫度劇升;隨荷電狀態(tài)的增加,電池的熱釋放速率增加,燃燒時間減少。通過對比正負極材料反應前后結(jié)構(gòu)變化和熱分析可知,第二次射流火主要是由正極材料的反應導致,最終引起電池的熱失控。研究了鈦酸鋰電池組內(nèi)菱形排列與平行排列的電池火蔓延行為,基于Semenov與Frank-Kamenetskii模型,分析得出了電池組火蔓延臨界條件。電池組火蔓延受電池間傳熱和火焰加熱雙重作用,但火焰加熱使電池著火溫度與時間具有隨機性,被引燃的電池前期出現(xiàn)“陰燃”階段,且具有爆炸危險性。根據(jù)電極材料的化學反應動力學參數(shù),基于Semenov與Frank-Kamenetskii熱爆炸理論,得到導致熱失控傳遞的等效臨界環(huán)境溫度在123.℃和139.2 ℃之間。通過修正Semenov與Thomas模型,建立了鋰離子電池熱失控臨界模型,揭示了對流換熱系數(shù)、電池尺寸、形狀及荷電狀態(tài)對熱失控臨界條件的影響規(guī)律。根據(jù)電池內(nèi)部四種反應對熱失控行為的熱貢獻程度、熱失控前反應物消耗及各個反應的機理函數(shù),對Semenov與Thomas模型進行均溫與非均溫系統(tǒng)修正,計算鈷酸鋰/石墨電池熱失控臨界條件,并用熱箱模型進行驗證。在不同換熱系數(shù)下,50Ah鈦酸鋰電池修正后失控臨界環(huán)境溫度為425.9K(h=20Wm-2 K-1)、442.4K(h=200Wm-2 K-1)�；谠撃Ｐ�,得到熱對流系數(shù)從5Wm-2 K-1增加到40Wm-2K-1時,臨界環(huán)境溫度增加了 25℃;電池尺寸從5mm增加到20mm時,臨界環(huán)境溫度降低了 14℃。而該兩種影響因素的影響程度隨其數(shù)值的增大而逐漸降低。同體積下方形電池相比圓柱形電池安全性更高。通過熱箱實驗得到從0%至100%SOC間5種荷電狀態(tài)下電池分別在145℃、165℃、185℃和205℃四種環(huán)境溫度下表面溫度變化。依據(jù)表面溫度變化,將電池所處環(huán)境分為安全、臨界和危險三個等級區(qū)域。從分區(qū)結(jié)果得到,當荷電狀態(tài)從0%增加到100%,臨界區(qū)域的開始溫度從205℃降低到165℃,且區(qū)間厚度逐漸變薄。分析了導致電池發(fā)生火災事故的基本事件,提出了電池安全分級及半定量評估方法。根據(jù)火災三要素,通過事故樹分析得到電池火災發(fā)生的15個基本事件與導致火災發(fā)生的36條途徑。結(jié)合事故樹分析不同失效模式下電池發(fā)生事故的危險程度(S)和可能性概率(L),計算相應的風險值(HRN),進一步根據(jù)風險值對電池安全性進行半定量評估。
【圖文】：

多次充放電，鋰枝晶會負極表面逐漸生長，當枝晶超過一定長度時可能刺穿隔膜，逡逑造成正、負極直接接觸而觸發(fā)內(nèi)部短路，產(chǎn)生大量的焦耳熱，給電池帶來危險［５］。逡逑在２０１７年，崔屹課題組［６］通過冷凍電鏡觀察到了鋰枝晶的生長，如圖１．１所示。逡逑冷凍電鏡區(qū)別標準電鏡，可以在很長時間內(nèi)觀察到鋰枝品而不使其發(fā)生變化，，如逡逑圖１．１邋（Ａ）？（Ｄ）所示。因此，可以借用該技術(shù)觀察鋰枝晶的生長過程，如圖逡逑１．１邐（Ｅ）？⑴所示。逡逑１逡逑

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