本文關(guān)鍵詞：常壓和低壓下鋰原電池、鋰離子電池火災(zāi)行為研究

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【摘要】：目前鋰電池在各種電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用,與之而來(lái)的是鋰電池的火災(zāi)和爆炸事故常有發(fā)生,在鋰電池應(yīng)用的同時(shí)需要對(duì)其火災(zāi)和爆炸危險(xiǎn)問(wèn)題進(jìn)行精確評(píng)估。本論文的工作總結(jié)如下:首先進(jìn)行了鋰原電池燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究。在量熱平臺(tái)中進(jìn)行單個(gè)和多個(gè)鋰原電池的燃燒試驗(yàn)以測(cè)量它們的燃燒參數(shù)。在這些測(cè)試中,電池暴露于20kWm-2的輻照下,測(cè)量的參數(shù)包含點(diǎn)燃時(shí)間、質(zhì)量損失、熱釋放速率和溫度分布等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)多個(gè)鋰原電池燃燒具有超過(guò)1200℃的火焰溫度并釋放大量熱和腐蝕性的化合物。結(jié)果表明,燃燒效率、二氧化碳產(chǎn)生量和質(zhì)量損失與電池的數(shù)量成正比�？梢杂弥笖�(shù)增長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)描述一定數(shù)量?jī)?nèi)電池組燃燒熱量和電池?cái)?shù)量的關(guān)系。這些結(jié)果為鋰原電池的使用、儲(chǔ)存和分配過(guò)程中的防火措施提供了科學(xué)依據(jù)。測(cè)試了兩種商業(yè)18650鋰離子電池在不同充電狀態(tài)下的燃燒性能。測(cè)量和評(píng)價(jià)了鋰離子電池的燃燒特性,包括表面溫度、點(diǎn)燃時(shí)間、質(zhì)量損失和熱釋放速率(HRR)。通常鋰離子電池在經(jīng)歷熱失控的情況時(shí)會(huì)發(fā)生破裂、燃燒、甚至爆炸現(xiàn)象。固體電解質(zhì)界面膜的分解和聚合物隔膜的分解被認(rèn)為是導(dǎo)致鋰離子電池燃燒的直接原因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,HRR和燃燒熱量通常隨著充電狀態(tài)增加而上升,而第一次噴射的時(shí)間和第一、二次噴射之間的時(shí)間間隔減小。鈷酸鋰18650電池表現(xiàn)出比磷酸鐵鋰18650電池更高的爆炸風(fēng)險(xiǎn),因?yàn)榍罢哚尫帕烁嗟难鯕狻Ｍㄟ^(guò)氧消耗方法計(jì)算和修正實(shí)驗(yàn)燃燒熱量數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)內(nèi)部產(chǎn)生的氧對(duì)熱估計(jì)具有顯著影響,其中100%充電狀態(tài)的鈷酸鋰18650電池的最大修正率為29.9%。對(duì)不同布置的電池進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),即水平4×1、水平2×2和垂直2×2鋰離子電池的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同的電池組布置可以影響點(diǎn)燃時(shí)間、熱釋放速率、燃燒熱量和輻射熱流,而質(zhì)量損失的方式和總質(zhì)量損失是相似的。結(jié)果表明,具有較大受熱面積的電池具有更大的熱失控危險(xiǎn)和更劇烈的燃燒。減小的環(huán)境壓力會(huì)影響燃燒過(guò)程中的物理和化學(xué)反應(yīng),并且燃料的燃燒與普通環(huán)境壓力下有顯著不同的燃燒特性。鋰電池的火災(zāi)行為同樣受環(huán)境壓力條件的影響,本文提供了在正常和高海拔條件下鋰電池火災(zāi)的差別實(shí)驗(yàn)。在海平面城市合肥(100.8千帕/24米)和高原城市拉薩(64.3千帕/3650米)分別建造了同樣配置的量熱平臺(tái),以研究環(huán)境壓力對(duì)鋰電池火災(zāi)行為的影響。從鋰原電池燃燒對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn),合肥和拉薩鋰原電池的質(zhì)量損失表現(xiàn)為隨電池個(gè)數(shù)增多而增大的線性關(guān)系。對(duì)于相同電池個(gè)數(shù)的電池組,質(zhì)量損失隨著壓力升高而增加。在高海拔地區(qū),熱釋放速率、燃燒熱量和輻射熱流等參數(shù)會(huì)隨著海拔高度的上升和氧氣濃度的減少而減小,在拉薩鋰原電池的燃燒效率低于合肥。鋰離子電池在低壓下的火災(zāi)危險(xiǎn)性的特征表現(xiàn)為點(diǎn)燃時(shí)間、質(zhì)量損失、熱釋放速率和燃燒熱量的減少。單個(gè)電池的點(diǎn)燃時(shí)間隨著充電狀態(tài)的上升而減小,壓力的增加導(dǎo)致相同充電狀態(tài)的電池點(diǎn)燃更快,質(zhì)量損失、熱釋放速率和燃燒熱量等參數(shù)會(huì)隨著壓力升高和氧氣濃度升高而增加。電池組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)質(zhì)量損失和電池?cái)?shù)量呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的關(guān)系,不同之處是在較高壓力下的電池具有更高的質(zhì)量損失。電池組的熱釋放速率隨電池?cái)?shù)量的增多而增大,也隨環(huán)境壓力的升高而增大。可以用一種指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系來(lái)描述電池組燃燒熱量隨著電池?cái)?shù)量改變的變化規(guī)律,并且這個(gè)指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系是壓力依賴的。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TM910

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本文編號(hào)：1274634