模組箱體空間內(nèi)磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э丶捌鋫鞑バ袨檠芯?/h1>
2022-05-24 10:16:10王庭華翟宏舉吳靜云田方媛郭鵬宇王青松
火災(zāi)科學(xué) 2022年1期
王庭華，翟宏舉，秦 鵬，吳靜云，田方媛，郭鵬宇，王青松*
(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，南京，210008；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026；3.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，南京，210024)
0 引言
鋰離子電池具有高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命以及對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、電力儲(chǔ)能等領(lǐng)域[1]。在鋰離子電池的應(yīng)用過(guò)程中由于機(jī)械濫用、電濫用及熱濫用等因素觸發(fā)熱失控而引起的火災(zāi)爆炸事故頻頻發(fā)生，造成大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，使得鋰離子電池的安全問(wèn)題得到了越來(lái)越多研究者的關(guān)注。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)鋰離子電池在不同工況條件下的熱失控及其傳播進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。單體電池?zé)崾Э匮芯糠矫妫琈ao等[2]和Liu等[3]針對(duì)大型磷酸鐵鋰電池在半開(kāi)放空間中開(kāi)展熱濫用觸發(fā)熱失控的實(shí)驗(yàn)研究，揭示了單體電池?zé)崃酷尫拧⒒鹧嫣匦缘葻崾Э匦袨樘卣?。Bugryniec等[4]在絕熱加速量熱儀(ARC)與烘箱等完全密閉的空間中開(kāi)展了不同荷電狀態(tài)(SOC)下磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э靥匦缘膶?shí)驗(yàn)研究。單體電池?zé)崾Э匦袨榈难芯繛楹罄m(xù)熱失控傳播的研究提供了基礎(chǔ)。在熱失控的傳播研究方面，Gao等[5]在防爆箱體空間內(nèi)開(kāi)展了三元軟包電池模組在不通電連接方式下的熱失控傳播研究。Huang等[6-8]在半開(kāi)放空間中對(duì)不同材料體系電池的熱失控傳播過(guò)程進(jìn)行了對(duì)比研究，并且針對(duì)三元電池模組在不同濫用觸發(fā)條件和電連接方式下的熱失控傳播差異進(jìn)行了分析。2020年，Srinivasan等[9]首次在開(kāi)放空間中對(duì)18650電池?zé)崾Э貒姵龅母邷赜袡C(jī)溶劑對(duì)熱失控傳播的影響進(jìn)行了研究。另外，也有研究者從熱失控傳播阻隔抑制[10-12]、傳熱過(guò)程分析[13]、電池排列方式對(duì)熱失控傳播影響[14-15]和熱失控傳播路徑[16]等角度對(duì)熱失控傳播進(jìn)行了相關(guān)研究，但大多限于開(kāi)放空間中的實(shí)驗(yàn)研究。綜上所述，目前大多數(shù)電池?zé)崾Э丶捌鋫鞑シ矫娴难芯烤诜菍?shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下進(jìn)行，而針對(duì)鋰離子電池在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下，即電池模組箱體內(nèi)熱失控及其傳播行為的相關(guān)研究還比較缺乏。
本文選取儲(chǔ)能用86 Ah方形磷酸鐵鋰電池作為研究對(duì)象，對(duì)電池在模組箱體空間內(nèi)和開(kāi)放空間中的熱失控及其傳播行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)箱體采用儲(chǔ)能系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用的模組箱體，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)電池表面溫度、環(huán)境溫度和電池?zé)崾Э匦袨檫M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)熱失控傳播過(guò)程中電池間熱量傳遞進(jìn)行了定量分析，并對(duì)比分析了開(kāi)放空間與模組空間中鋰離子電池的熱失控及其傳播的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以期為電池模組安全設(shè)計(jì)和熱失控傳播阻隔措施提供一定參考。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象
本研究以?xún)?chǔ)能用86 Ah磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，如圖1所示，電池的基本參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)前使用新威電池測(cè)試儀(CT-4008-10V20A-NTFA)將實(shí)驗(yàn)電池先以0.2 C倍率恒流放電至截止電壓2.5 V，然后以0.2 C恒流3.65 V恒壓充電至100% SOC，截止電流設(shè)置為0.01 C。充滿(mǎn)電的電池在室溫條件下擱置24 h，確保電池穩(wěn)定后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
表1 實(shí)驗(yàn)電池基本參數(shù)
1.2 實(shí)驗(yàn)方案
圖2 電池燃燒測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig. 2 Battery combustion test bench
圖3 電池實(shí)驗(yàn)布置圖Fig. 3 The experimental setup diagrams
圖4 實(shí)驗(yàn)布置示意圖Fig. 4 The schematic diagram of experimental setup
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.1 模組箱體內(nèi)單體電池實(shí)驗(yàn)
2.1.1 電池?zé)崾Э匦袨?/p>
模組箱體內(nèi)單體電池的典型熱失控行為特征如圖5所示，根據(jù)電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣現(xiàn)象可以將整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為以下3個(gè)階段：
(1)加熱反應(yīng)階段。開(kāi)啟電源，使用500 W加熱板對(duì)電池前表面進(jìn)行持續(xù)加熱，在加熱一段時(shí)間后可以看到有極少量的白色煙氣從模組箱體內(nèi)彌散出來(lái)，如圖5 (b)所示，這部分煙氣是加熱板加熱電池外表面的塑料封膜產(chǎn)生的。此階段中，電池在加熱板的加熱作用下溫度不斷升高，在達(dá)到其內(nèi)部反應(yīng)溫度后，電池內(nèi)部自產(chǎn)熱、產(chǎn)氣反應(yīng)也隨之開(kāi)始進(jìn)行[18]，但此階段電池內(nèi)部壓力未達(dá)到安全閥設(shè)計(jì)閾值，因此電池?zé)o明顯熱失控行為。
圖5 單體電池加熱熱失控過(guò)程Fig. 5 The recorded thermal runaway process of the single cell test
(2)熱失控劇烈反應(yīng)階段。隨著加熱板的持續(xù)加熱，電池溫度不斷升高，電池內(nèi)部產(chǎn)熱、產(chǎn)氣反應(yīng)也不斷加劇，電池內(nèi)部積聚的氣體不斷增多、壓力不斷增高。最終導(dǎo)致電池安全閥在內(nèi)部氣體壓力的作用下打開(kāi)，電池內(nèi)部積聚的大量氣體在短時(shí)間內(nèi)迅速?lài)娚溽尫挪U(kuò)散至整個(gè)燃燒室，整個(gè)磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э剡^(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，如圖5 (c～f)所示。
(3)熱失控停止階段。隨著電池內(nèi)部反應(yīng)物的持續(xù)消耗，電池所產(chǎn)生的煙氣不斷減少，直至電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣完全停止，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，如圖5 (g～h)所示。
2.1.2 實(shí)驗(yàn)溫度分布
單體電池實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電池表面測(cè)點(diǎn)溫度變化如圖6所示。由于電池內(nèi)部反應(yīng)不均勻?qū)е码姵丶訜崦姹趁嫒齻€(gè)測(cè)點(diǎn)溫度存在一定差異，本文取三個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度的平均值作為背面的特征溫度。電池在被加熱至993 s時(shí)安全閥打開(kāi)，并在短時(shí)間內(nèi)噴射出大量高溫白色煙氣，安全閥打開(kāi)瞬間電池加熱面溫度為422.8 ℃，背面特征溫度為138.9 ℃。由于大量高溫氣體的排出，電池溫度在安全閥打開(kāi)后有一段小幅的下降，其中加熱面溫度在安全閥打開(kāi)后的48 s內(nèi)下降至358.8 ℃，背面特征溫度在18 s內(nèi)下降至133.2 ℃，溫降差異是由于電池內(nèi)部高溫電解液的分布不均勻?qū)е碌腫2]。隨著電池內(nèi)部產(chǎn)熱反應(yīng)的不斷加劇，電池表面各測(cè)點(diǎn)溫度均出現(xiàn)激增，加熱面溫度在1 296 s達(dá)到峰值536.7 ℃，背面特征溫度在1 340 s達(dá)到峰值345.1 ℃，此時(shí)關(guān)閉加熱板停止加熱，電池進(jìn)入自然冷卻狀態(tài)。
圖6 實(shí)驗(yàn)中電池表面溫度變化Fig. 6 The temperature curves for the surface of battery
圖7 實(shí)驗(yàn)中電池模組箱體內(nèi)溫度變化Fig. 7 The temperature curves of the battery module space
模組箱體內(nèi)三個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度及箱體內(nèi)平均溫度變化情況如圖7所示?？梢钥吹?，在993 s電池安全閥打開(kāi)前，電池正上方的溫度測(cè)點(diǎn)T5在持續(xù)上升，這是由加熱板加熱電池表面塑料封膜產(chǎn)生的熱煙氣導(dǎo)致的。993 s電池安全閥打開(kāi)，溫度測(cè)點(diǎn)T5與T6迅速響應(yīng)，并在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值溫度139.8 ℃和100.4 ℃，而位于模組箱體底部的溫度測(cè)點(diǎn)T7，在安全閥打開(kāi)1 643 s后才緩慢上升至最高溫度40 ℃。實(shí)驗(yàn)中T5與T6峰值溫度差為39.4 ℃，T5與T7峰值溫度差為99.8 ℃，模組底部與頂部溫度測(cè)點(diǎn)的最大溫差達(dá)到了118.4 ℃，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中模組箱體內(nèi)的最高平均溫度為85.5 ℃。模組箱體內(nèi)沿高度方向測(cè)點(diǎn)溫度差異性較大，這是由于電池產(chǎn)生的熱煙氣從安全閥噴出時(shí)主要聚集在模組箱體的中上部，在產(chǎn)氣噴出量不斷增多并逐漸擴(kuò)散至整個(gè)模組箱體時(shí)，位于箱體底部的溫度測(cè)點(diǎn)T7才出現(xiàn)響應(yīng)。
2.2 熱失控傳播實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析
2.2.1 熱失控行為分析
圖8 電池傳播實(shí)驗(yàn)Fig. 8 The propagation tests process
圖9 熱失控后電池模組Fig. 9 The battery module after thermal runaway
2.2.2 溫度響應(yīng)及熱量傳遞分析
圖10 傳播實(shí)驗(yàn)中溫度變化曲線Fig. 10 The temperature curves of propagation experiments
圖電池?zé)崾Э赜绊懴码姵厣媳砻婕碍h(huán)境測(cè)點(diǎn)峰值溫度Fig. 11 The maximum temperature of the cell’s upper surface and environment under the effect
圖12 (a) 電池間傳熱路徑示意圖 (b) 實(shí)驗(yàn)傳熱結(jié)果Fig.12 (a) The schematic diagram fo heat transfer paths between cells (b) Experimental results of heat heat transfer
(1)
式中，q為熱流密度，W·m-2；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；δ為厚度，m；h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W·m-2·K-1；σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)，5.67×10-8W·m-2·K-4；ε為表面發(fā)射率；A為表面積，m2；F為視角系數(shù)。
Q=cMΔT
(2)
式中，Q為熱量，J；c為比熱容，J·g-1·K-1；M為質(zhì)量，g；ΔT為溫升，K。
表2 傳播實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3 結(jié)論
本文針對(duì)86 Ah儲(chǔ)能用磷酸鐵鋰電池在開(kāi)放空間及模組箱體空間內(nèi)的熱失控及其傳播行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到的主要結(jié)論如下：
(1)本研究所用磷酸鐵鋰電池具有較高安全性，電池?zé)崾Э剡^(guò)程無(wú)燃燒爆炸現(xiàn)象發(fā)生，但會(huì)產(chǎn)生大量的高溫白色煙氣并伴隨電解液飛濺。電池?zé)崾Э剡^(guò)程可以分為三個(gè)階段，且電池?zé)崾Э睾?，模組箱體內(nèi)部溫度分布會(huì)受到熱失控高溫?zé)煔獾挠绊懚谘馗叨确较虺霈F(xiàn)明顯溫度梯度，模組箱體底部與頂部溫度測(cè)點(diǎn)的最大溫差可達(dá)118.4 ℃。
(3)模組箱體空間內(nèi)有限的氧氣供給會(huì)減緩熱失控電池內(nèi)部的放熱反應(yīng)進(jìn)程，對(duì)熱失控傳播起到減速作用。模組箱體空間實(shí)驗(yàn)中電池?zé)崾Э胤逯禍囟绕毡榈陀陂_(kāi)放空間內(nèi)實(shí)驗(yàn)33 ℃～145 ℃，且熱失控完全傳播時(shí)間(979 s)比開(kāi)放空間實(shí)驗(yàn)(766 s)滯后了213 s (28%)。
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鋰離子電池具有高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命以及對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、電力儲(chǔ)能等領(lǐng)域[1]。在鋰離子電池的應(yīng)用過(guò)程中由于機(jī)械濫用、電濫用及熱濫用等因素觸發(fā)熱失控而引起的火災(zāi)爆炸事故頻頻發(fā)生，造成大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，使得鋰離子電池的安全問(wèn)題得到了越來(lái)越多研究者的關(guān)注。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)鋰離子電池在不同工況條件下的熱失控及其傳播進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。單體電池?zé)崾Э匮芯糠矫妫琈ao等[2]和Liu等[3]針對(duì)大型磷酸鐵鋰電池在半開(kāi)放空間中開(kāi)展熱濫用觸發(fā)熱失控的實(shí)驗(yàn)研究，揭示了單體電池?zé)崃酷尫拧⒒鹧嫣匦缘葻崾Э匦袨樘卣?。Bugryniec等[4]在絕熱加速量熱儀(ARC)與烘箱等完全密閉的空間中開(kāi)展了不同荷電狀態(tài)(SOC)下磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э靥匦缘膶?shí)驗(yàn)研究。單體電池?zé)崾Э匦袨榈难芯繛楹罄m(xù)熱失控傳播的研究提供了基礎(chǔ)。在熱失控的傳播研究方面，Gao等[5]在防爆箱體空間內(nèi)開(kāi)展了三元軟包電池模組在不通電連接方式下的熱失控傳播研究。Huang等[6-8]在半開(kāi)放空間中對(duì)不同材料體系電池的熱失控傳播過(guò)程進(jìn)行了對(duì)比研究，并且針對(duì)三元電池模組在不同濫用觸發(fā)條件和電連接方式下的熱失控傳播差異進(jìn)行了分析。2020年，Srinivasan等[9]首次在開(kāi)放空間中對(duì)18650電池?zé)崾Э貒姵龅母邷赜袡C(jī)溶劑對(duì)熱失控傳播的影響進(jìn)行了研究。另外，也有研究者從熱失控傳播阻隔抑制[10-12]、傳熱過(guò)程分析[13]、電池排列方式對(duì)熱失控傳播影響[14-15]和熱失控傳播路徑[16]等角度對(duì)熱失控傳播進(jìn)行了相關(guān)研究，但大多限于開(kāi)放空間中的實(shí)驗(yàn)研究。綜上所述，目前大多數(shù)電池?zé)崾Э丶捌鋫鞑シ矫娴难芯烤诜菍?shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下進(jìn)行，而針對(duì)鋰離子電池在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下，即電池模組箱體內(nèi)熱失控及其傳播行為的相關(guān)研究還比較缺乏。
本文選取儲(chǔ)能用86 Ah方形磷酸鐵鋰電池作為研究對(duì)象，對(duì)電池在模組箱體空間內(nèi)和開(kāi)放空間中的熱失控及其傳播行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)箱體采用儲(chǔ)能系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用的模組箱體，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)電池表面溫度、環(huán)境溫度和電池?zé)崾Э匦袨檫M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)熱失控傳播過(guò)程中電池間熱量傳遞進(jìn)行了定量分析，并對(duì)比分析了開(kāi)放空間與模組空間中鋰離子電池的熱失控及其傳播的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以期為電池模組安全設(shè)計(jì)和熱失控傳播阻隔措施提供一定參考。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象
本研究以?xún)?chǔ)能用86 Ah磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，如圖1所示，電池的基本參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)前使用新威電池測(cè)試儀(CT-4008-10V20A-NTFA)將實(shí)驗(yàn)電池先以0.2 C倍率恒流放電至截止電壓2.5 V，然后以0.2 C恒流3.65 V恒壓充電至100% SOC，截止電流設(shè)置為0.01 C。充滿(mǎn)電的電池在室溫條件下擱置24 h，確保電池穩(wěn)定后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
表1 實(shí)驗(yàn)電池基本參數(shù)
1.2 實(shí)驗(yàn)方案
圖2 電池燃燒測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig. 2 Battery combustion test bench
圖3 電池實(shí)驗(yàn)布置圖Fig. 3 The experimental setup diagrams
圖4 實(shí)驗(yàn)布置示意圖Fig. 4 The schematic diagram of experimental setup
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.1 模組箱體內(nèi)單體電池實(shí)驗(yàn)
2.1.1 電池?zé)崾Э匦袨?/p>
模組箱體內(nèi)單體電池的典型熱失控行為特征如圖5所示，根據(jù)電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣現(xiàn)象可以將整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為以下3個(gè)階段：
(1)加熱反應(yīng)階段。開(kāi)啟電源，使用500 W加熱板對(duì)電池前表面進(jìn)行持續(xù)加熱，在加熱一段時(shí)間后可以看到有極少量的白色煙氣從模組箱體內(nèi)彌散出來(lái)，如圖5 (b)所示，這部分煙氣是加熱板加熱電池外表面的塑料封膜產(chǎn)生的。此階段中，電池在加熱板的加熱作用下溫度不斷升高，在達(dá)到其內(nèi)部反應(yīng)溫度后，電池內(nèi)部自產(chǎn)熱、產(chǎn)氣反應(yīng)也隨之開(kāi)始進(jìn)行[18]，但此階段電池內(nèi)部壓力未達(dá)到安全閥設(shè)計(jì)閾值，因此電池?zé)o明顯熱失控行為。
圖5 單體電池加熱熱失控過(guò)程Fig. 5 The recorded thermal runaway process of the single cell test
(2)熱失控劇烈反應(yīng)階段。隨著加熱板的持續(xù)加熱，電池溫度不斷升高，電池內(nèi)部產(chǎn)熱、產(chǎn)氣反應(yīng)也不斷加劇，電池內(nèi)部積聚的氣體不斷增多、壓力不斷增高。最終導(dǎo)致電池安全閥在內(nèi)部氣體壓力的作用下打開(kāi)，電池內(nèi)部積聚的大量氣體在短時(shí)間內(nèi)迅速?lài)娚溽尫挪U(kuò)散至整個(gè)燃燒室，整個(gè)磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э剡^(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，如圖5 (c～f)所示。
(3)熱失控停止階段。隨著電池內(nèi)部反應(yīng)物的持續(xù)消耗，電池所產(chǎn)生的煙氣不斷減少，直至電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣完全停止，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，如圖5 (g～h)所示。
2.1.2 實(shí)驗(yàn)溫度分布
單體電池實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電池表面測(cè)點(diǎn)溫度變化如圖6所示。由于電池內(nèi)部反應(yīng)不均勻?qū)е码姵丶訜崦姹趁嫒齻€(gè)測(cè)點(diǎn)溫度存在一定差異，本文取三個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度的平均值作為背面的特征溫度。電池在被加熱至993 s時(shí)安全閥打開(kāi)，并在短時(shí)間內(nèi)噴射出大量高溫白色煙氣，安全閥打開(kāi)瞬間電池加熱面溫度為422.8 ℃，背面特征溫度為138.9 ℃。由于大量高溫氣體的排出，電池溫度在安全閥打開(kāi)后有一段小幅的下降，其中加熱面溫度在安全閥打開(kāi)后的48 s內(nèi)下降至358.8 ℃，背面特征溫度在18 s內(nèi)下降至133.2 ℃，溫降差異是由于電池內(nèi)部高溫電解液的分布不均勻?qū)е碌腫2]。隨著電池內(nèi)部產(chǎn)熱反應(yīng)的不斷加劇，電池表面各測(cè)點(diǎn)溫度均出現(xiàn)激增，加熱面溫度在1 296 s達(dá)到峰值536.7 ℃，背面特征溫度在1 340 s達(dá)到峰值345.1 ℃，此時(shí)關(guān)閉加熱板停止加熱，電池進(jìn)入自然冷卻狀態(tài)。
圖6 實(shí)驗(yàn)中電池表面溫度變化Fig. 6 The temperature curves for the surface of battery
圖7 實(shí)驗(yàn)中電池模組箱體內(nèi)溫度變化Fig. 7 The temperature curves of the battery module space
模組箱體內(nèi)三個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度及箱體內(nèi)平均溫度變化情況如圖7所示?？梢钥吹?，在993 s電池安全閥打開(kāi)前，電池正上方的溫度測(cè)點(diǎn)T5在持續(xù)上升，這是由加熱板加熱電池表面塑料封膜產(chǎn)生的熱煙氣導(dǎo)致的。993 s電池安全閥打開(kāi)，溫度測(cè)點(diǎn)T5與T6迅速響應(yīng)，并在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值溫度139.8 ℃和100.4 ℃，而位于模組箱體底部的溫度測(cè)點(diǎn)T7，在安全閥打開(kāi)1 643 s后才緩慢上升至最高溫度40 ℃。實(shí)驗(yàn)中T5與T6峰值溫度差為39.4 ℃，T5與T7峰值溫度差為99.8 ℃，模組底部與頂部溫度測(cè)點(diǎn)的最大溫差達(dá)到了118.4 ℃，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中模組箱體內(nèi)的最高平均溫度為85.5 ℃。模組箱體內(nèi)沿高度方向測(cè)點(diǎn)溫度差異性較大，這是由于電池產(chǎn)生的熱煙氣從安全閥噴出時(shí)主要聚集在模組箱體的中上部，在產(chǎn)氣噴出量不斷增多并逐漸擴(kuò)散至整個(gè)模組箱體時(shí)，位于箱體底部的溫度測(cè)點(diǎn)T7才出現(xiàn)響應(yīng)。
2.2 熱失控傳播實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析
2.2.1 熱失控行為分析
圖8 電池傳播實(shí)驗(yàn)Fig. 8 The propagation tests process
圖9 熱失控后電池模組Fig. 9 The battery module after thermal runaway
2.2.2 溫度響應(yīng)及熱量傳遞分析
圖10 傳播實(shí)驗(yàn)中溫度變化曲線Fig. 10 The temperature curves of propagation experiments
圖電池?zé)崾Э赜绊懴码姵厣媳砻婕碍h(huán)境測(cè)點(diǎn)峰值溫度Fig. 11 The maximum temperature of the cell’s upper surface and environment under the effect
圖12 (a) 電池間傳熱路徑示意圖 (b) 實(shí)驗(yàn)傳熱結(jié)果Fig.12 (a) The schematic diagram fo heat transfer paths between cells (b) Experimental results of heat heat transfer
(1)
式中，q為熱流密度，W·m-2；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；δ為厚度，m；h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W·m-2·K-1；σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)，5.67×10-8W·m-2·K-4；ε為表面發(fā)射率；A為表面積，m2；F為視角系數(shù)。
Q=cMΔT
(2)
式中，Q為熱量，J；c為比熱容，J·g-1·K-1；M為質(zhì)量，g；ΔT為溫升，K。
表2 傳播實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3 結(jié)論
本文針對(duì)86 Ah儲(chǔ)能用磷酸鐵鋰電池在開(kāi)放空間及模組箱體空間內(nèi)的熱失控及其傳播行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到的主要結(jié)論如下：
(1)本研究所用磷酸鐵鋰電池具有較高安全性，電池?zé)崾Э剡^(guò)程無(wú)燃燒爆炸現(xiàn)象發(fā)生，但會(huì)產(chǎn)生大量的高溫白色煙氣并伴隨電解液飛濺。電池?zé)崾Э剡^(guò)程可以分為三個(gè)階段，且電池?zé)崾Э睾?，模組箱體內(nèi)部溫度分布會(huì)受到熱失控高溫?zé)煔獾挠绊懚谘馗叨确较虺霈F(xiàn)明顯溫度梯度，模組箱體底部與頂部溫度測(cè)點(diǎn)的最大溫差可達(dá)118.4 ℃。
(3)模組箱體空間內(nèi)有限的氧氣供給會(huì)減緩熱失控電池內(nèi)部的放熱反應(yīng)進(jìn)程，對(duì)熱失控傳播起到減速作用。模組箱體空間實(shí)驗(yàn)中電池?zé)崾Э胤逯禍囟绕毡榈陀陂_(kāi)放空間內(nèi)實(shí)驗(yàn)33 ℃～145 ℃，且熱失控完全傳播時(shí)間(979 s)比開(kāi)放空間實(shí)驗(yàn)(766 s)滯后了213 s (28%)。
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