锂离子电池的热失控模拟
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热失控测试是指在特定条件下,对电池进行过热或短路测试,以验证其在特殊情况下的安全性能。
UL1973标准是针对锂离子电池组的安全要求和测试标准,其中包括热失控测试的要求。
1.测试目的热失控测试的主要目的是验证电池在意外情况下的安全性能,包括特殊温度、短路等情况下电池是否会出现热失控、燃烧或爆炸等安全问题。
这些测试可以帮助制造商和用户了解电池的安全性能,并制定相应的安全措施。
2.测试条件在进行热失控测试时,需要根据UL1973标准中的相关要求,设置适当的测试条件,包括测试温度、环境湿度、电池状态等。
这些条件通常是根据实际使用场景和潜在风险来确定的,以确保测试结果的可靠性和代表性。
3.测试方法热失控测试通常会采用模拟实际使用场景的方法,如暴露电池样品在特殊温度下、进行短路测试等。
测试过程需要监控电池的温度变化、电压变化等参数,并及时采取安全措施,以避免测试中出现意外情况。
4.测试结果评估在进行热失控测试后,需要对测试结果进行全面评估,包括电池的安全性能、热失控的原因及可能的改进措施等。
这些评估结果将对电池的设计和生产过程产生重要的影响,有助于提高电池的安全性能和可靠性。
5.测试报告需要编制热失控测试的详细测试报告,包括测试条件、方法、结果评估等内容,并按照UL1973标准的要求进行归档保存。
这些报告可以作为产品认证和合规性评估的重要依据,也可以为用户提供安全保障的参考。
热失控测试是锂离子电池安全性能评估的重要环节,UL1973标准对其进行了详细的要求,制造商和用户都应该高度重视这一环节,以确保电池产品的安全可靠性。
以上就是关于UL1973热失控测试要求的相关内容。
希望对您有所帮助。
UL1973标准是专门针对锂离子电池组的安全要求和测试标准,被广泛应用于电池产品的认证和合规性评估。
其中包括了对热失控测试的详细要求,以验证电池在特殊情况下的安全性能。
下面将继续扩展关于UL1973热失控测试要求的相关内容。
应急管理研究高高原环境下锂离子电池热失控烟气特性刘奕,邹晓龙,陈现涛,贺元骅,孙强(中国民用航空飞行学院民航安全工程学院,四川广汉618307)摘要:为探究高高原机场低压低氧环境对锂离子电池热失 控行为中喷射火焰温度、热释放速率及烟气组分等参数的影响,构 建锂离子电池低压试验平台,以4节单体18650型锂离子电池构 成电池组,分别模拟高高原机场(50 kPa)、平原机场环境(90 kPa)下锂离子电池热失控试验。
结果表明:在50 kPa工况下,池 体破损程度、热释放速率及喷射火焰温度均有所下降,喷射火焰峰 值温度降低约241.3 50 kPa工况下产生的热解烟气中G H,、C O等易燃气体浓度更高,最高体积分数分别可达3 134.50 X 10_6和0.860%,并且随热释放速率的增加热增加;在90 kPa工况 下呈现相反趋势,C.,H,、C O气体浓度均有所下降,且随热释放速 率的增加热降低。
90 kPa工况下电池燃爆更为剧烈,作为物质完 全燃烧的证明,C02气体浓度高于50 kPa工况下试验值,最高体 积分数可达1.510 7%。
关键词:高高原机场;低压;锂离子电池;热失控;C_,H,中图分类号:X932,TM911文献标志码:A文章编号:1009-0029(2020)05-0704—06自1999年L iu等首先提出三元层状Li(NiCoMn)02材料以后,三元锂离子电池(以下称“锂离子电池”)以其高 比能量、长循环寿命和优异的充放电性能广泛应用于移动 通信、电子产品、电动汽车以及航空航天等领域。
随着需 求的增加,锂离子电池在全球通用航空的运输量大大提 升。
高高原机场的复杂运行环境和飞行中的变压变温特 殊工况给锂离子电池航空运输带来更严峻的安全问题。
据美国联邦航空局F A A统计,1991年3月20日至2019 年8月1日,全球共发生265起涉及锂电池的航空事故。
由锂离子电池热失控引发的火灾事故,会造成巨大的经济 损失和人员伤亡。
锂离子电池热失控过程锂离子电池是现代电子设备和电动车等广泛应用的重要电源。
但是,由于其容易发生热失控反应,其应用场景会受到一定限制,影响其发展速度。
因此,进一步了解锂离子电池的热失控过程非常重要。
一、锂离子电池的构成锂离子电池的基本构成是正极、负极、隔膜和电解液。
正极是由锂、过渡金属氧化物和碳酸物质构成。
负极是由石墨、金属锂和锂合金等物质构成。
隔膜是由聚合物、陶瓷或复合材料制成。
电解液通常是有机溶液,由碳酸酯、聚醚、酮等组成。
二、锂离子电池热失控的原因锂离子电池热失控的原因是电池内部的热效应过于剧烈无法承受,导致电池内部出现极度的高温,导致正负极材料的分解和电解液异常剧烈的反应。
通常,锂离子电池的热失控可以由以下原因引起:(1)过充或过放:如果电池充电的时间过长或者其放电的深度太大,电池的内部结构就会发生变化。
正极和负极上的材料可能会被过度氧化或过度还原,生成高温和有害的气体,导致热失控。
(2)过渡金属的析出:如果电池内部的过渡金属被过氧化或者快速的沉积,就会导致电池内部的温度升高,进而引起热失控。
(3)电解液的分解:在高温和高压的情况下,电解液中的混合物可能会发生分解和分解产物的燃烧,从而导致电池的热失控。
三、锂离子电池的热失控过程当电池内部温度处于一个可以接受的范围内时,电池在使用时是安全的。
但是,一旦电池开始发生热失控时,它很快就会引起极度不稳定的反应,将电池从一个相对平静的状态转变为一个极度暴力的状况。
通常,锂离子电池的热失控会经过以下过程:(1)晶体外壳崩溃,电极短路当电池内部发生热失控时,其内部产生的高温和高压很快就会引起电池表面的晶体外壳崩溃。
这会导致正负极之间的短路,因此在这一阶段,电池内电流会迅速增加。
(2)电解液极度加热电解液是导电性很强的物质,当电极短路后,电解液中的离子很快就会开始跑动。
这将导致电解液受热,并从而生成大量的热能。
如果这一步骤未及时处理,电池内的热能将会呈几何级数加大。
(原创实用版4篇)编制人员:_______________审核人员:_______________审批人员:_______________编制单位:_______________编制时间:____年___月___日序言下面是本店铺为大家精心编写的4篇《ul9540a电芯热失控测试方法》,供大家借鉴与参考。
下载后,可根据实际需要进行调整和使用,希望能够帮助到大家,谢射!(4篇)《ul9540a电芯热失控测试方法》篇1UL 9540A 是一种针对锂离子电池的安全测试标准,其中包括了热失控测试方法。
热失控是指电池在高温环境下由于内部或外部因素导致温度不断上升,最终导致电池破裂、爆炸等安全事故。
UL 9540A 中定义的热失控测试方法如下: 1. 将电池组放置在温度为 50±2℃的环境中,然后通过电阻加热器将电池组的温度逐步升高至 150±2℃。
2. 在温度达到 150±2℃后,将电池组从加热器中移除,并观察电池组的温度变化。
如果电池组的温度在 30 分钟内下降至 120±2℃以下,则判断电池组通过热失控测试。
3. 如果电池组的温度在 30 分钟内未能下降至 120±2℃以下,则需要进行进一步的测试。
在接下来的测试中,将电池组放置在温度为 120±2℃的环境中,然后通过电阻加热器将电池组的温度逐步升高至 200±2℃。
4. 在温度达到 200±2℃后,将电池组从加热器中移除,并观察电池组的温度变化。
如果电池组的温度在 30 分钟内下降至 120±2℃以下,则判断电池组通过热失控测试。
5. 如果电池组的温度在 30 分钟内未能下降至 120±2℃以下,则判断电池组未通过热失控测试。
《ul9540a电芯热失控测试方法》篇2UL9540A 是一种针对锂离子电池的安全测试标准,其中包括了热失控测试方法。
热失控是指电池在高温环境下由于内部或外部因素导致温度不断上升,最终导致电池破裂、爆炸等安全事故。
三元锂电池的热失控温度
三元锂电池是一种常见的锂离子电池,其热失控温度是指在过
热或异常情况下,电池内部可能发生热失控甚至爆炸的温度阈值。
热失控温度受到多种因素的影响,包括电池的设计、材料选择、制
造工艺等。
一般来说,三元锂电池的热失控温度在摄氏150至200度之间。
这个温度范围是根据电池内部的结构和材料特性以及安全性考虑而
确定的。
当电池温度超过这个范围,可能会导致电池内部发生热失
控反应,进而引发火灾或爆炸。
为了防止三元锂电池发生热失控,制造商通常会在电池设计中
加入热敏感材料或热释放装置,以便在电池温度异常升高时及时采
取措施,例如自动切断电池供电或释放内部压力,从而减轻潜在的
安全风险。
此外,用户在使用三元锂电池时也应当注意避免过度充放电、
避免高温环境下的使用、避免物理损坏等行为,以降低电池发生热
失控的风险。
总之,三元锂电池的热失控温度是一个重要的安全参数,制造商和用户都应当重视并采取相应的预防措施,以确保电池的安全使用。
磷酸铁锂离子电池热失控研究-概述说明以及解释1.引言1.1 概述磷酸铁锂离子电池作为一种新型高能量密度储能装置,在电动汽车、储能设备等领域有着广泛的应用前景。
然而,随着电动汽车行业的快速发展,磷酸铁锂离子电池热失控问题逐渐凸显出来,给人们的生产生活带来了潜在的安全隐患。
本文旨在对磷酸铁锂离子电池热失控现象进行深入研究,探讨其导致的原因,提出预防热失控的措施,以及分析磷酸铁锂电池研究的意义和未来展望。
通过本文的研究,希望能够为磷酸铁锂电池的安全使用和进一步发展提供一定的参考和指导。
1.2 文章结构:本文将围绕磷酸铁锂离子电池热失控这一重要课题展开讨论,首先对磷酸铁锂电池的基本原理和结构进行简要介绍,然后详细探讨热失控的定义、影响以及可能的原因分析。
在正文部分中,将从宏观和微观两个角度对磷酸铁锂电池热失控进行深入探讨,以期揭示其内在机制。
在结论部分,将总结本文的研究成果并提出预防热失控的有效措施,同时探讨磷酸铁锂电池研究的重要意义和未来发展方向。
通过系统性的论证和分析,本文旨在为磷酸铁锂电池热失控问题的解决提供新的思路和方法。
1.3 目的磷酸铁锂离子电池作为一种新型的电池技术,具有高能量密度、长循环寿命和良好的安全性等优点,被广泛应用于电动汽车、储能系统等领域。
然而,磷酸铁锂电池在运行过程中可能出现热失控现象,导致电池燃烧甚至爆炸,对人员和环境安全造成严重威胁。
因此,本文旨在深入研究磷酸铁锂电池热失控的原因和机制,探讨预防热失控的策略,为提高磷酸铁锂电池的安全性和稳定性提供科学依据和技术支持。
同时,通过对磷酸铁锂电池研究的总结和展望,为未来磷酸铁锂电池的研究和应用指明方向,推动新型电池技术的发展和进步。
2.正文2.1 磷酸铁锂电池简介:磷酸铁锂电池是一种新型的锂离子电池,具有高能量密度、长循环寿命和较低的自放电率等优点,因此被广泛应用于电动汽车、储能系统和移动设备等领域。
相比传统的钴酸锂电池,磷酸铁锂电池具有更高的热稳定性和更低的成本,是一种具有很大发展潜力的锂离子电池技术。
锂离子电池的热失控及安全性分析一、锂离子电池的介绍锂离子电池是一种主要应用于便携式电子设备、电动汽车等领域的电池,因其高能量密度、长使用寿命、重量轻等优点,使得其被广泛应用。
锂离子电池是指以锂离子为正极电极材料的电池,其正负极由不同材料组成,通过电极间的离子交换来储存和释放能量。
二、锂离子电池的热失控锂离子电池的热失控是指在异常情况下电池内部发生自身反应,不可逆的产生大量热量和气体,最终导致电池爆炸和火灾的现象。
热失控的原因主要有以下几个方面:1.设计和制造缺陷。
电池在设计和制造时存在缺陷,比如电池内部正负极隔膜的损坏或者不存在,正极物质的含量过高等,这些因素都会加剧热失控的风险。
2.过充和过放。
电池充放电过程中,如果充电过度或者放电过度,就会发生热失控的现象。
3.温度过高。
在高温环境下,锂离子电池的热失控风险会大大增加。
三、锂离子电池的安全措施针对锂离子电池的热失控现象,目前已经有了一系列的安全措施,包括:1.电池设计和制造中的安全措施。
电池设计和制造中,需要考虑到电池的热失控因素,采取相应的措施来控制风险。
例如,在电池内部加装隔膜来避免正负极的直接接触。
2.电池的充放电和使用过程中的安全措施。
电池在充放电过程中,需要通过充放电管理系统来控制电池的电量,并及时停止充电或者放电,避免造成热失控。
同时在使用过程中,需要注意不要让电池过度受热或者受力。
3.热失控事件处理措施。
如果发生了锂离子电池的热失控事件,需要及时采取应对措施,如用泡沫灭火器将火源扑灭,以及尽量远离火灾现场,避免被火灾伤害。
四、结语锂离子电池是一种广泛应用的电池,但是其热失控问题也一直是人们所关注的领域。
对于热失控现象,需要从电池的设计和制造、使用以及应对方面做好相应的安全措施,从而有效地减少热失控事件的发生。
eis电化学阻抗谱在锂电池热失控方面研究的作用解释说明1. 引言1.1 概述锂电池是当前最常用的可充电电池之一,广泛应用于移动通信设备、电动汽车和可再生能源储存装置等领域。
然而,由于锂电池在使用过程中可能发生热失控现象,导致严重的安全问题和性能下降,因此研究锂电池的热失控机理和寿命预测技术具有重要意义。
1.2 文章结构本文将首先介绍锂电池热失控概念和危害,并梳理目前该领域的研究现状。
接着,详细介绍了eis(electrochemical impedance spectroscopy)电化学阻抗谱的基本原理以及其在锂电池中的应用概况。
然后,我们将讨论eis方法参数及数据解析技术。
最后,我们将分析eis在锂电池热失控方面的作用,并探讨其在热失控前期特征检测、寿命预测和可靠性分析方面的潜力。
最后,文章将给出结论总结并展望未来的问题和发展方向。
1.3 目的本文的目的是通过综合分析已有研究成果,探讨eis电化学阻抗谱在锂电池热失控方面的作用。
通过对eis技术的介绍和分析,我们希望能够增进读者对锂电池热失控机理的理解,并展示eis在寿命预测和可靠性分析方面的价值。
此外,我们还将提出未来发展方向,以指导相关研究工作的进行。
2. 锂电池热失控概述2.1 锂电池基本原理锂电池是一种将化学能转化为电能的装置,其工作原理是通过正负极之间的离子移动实现。
在充放电过程中,锂离子在电解液中自由迁移,从负极通过电解液到达正极,并在正极与活性材料发生反应。
这个过程实现了锂离子的储存和释放。
2.2 热失控的定义与危害热失控是指在特定条件下,锂电池内部产生异常反应或不可逆反应而导致温度急剧升高的现象。
当锂电池出现热失控时,可能会引发火灾、爆炸等严重事故,对人身安全、环境和财产造成巨大风险。
2.3 热失控机理研究现状关于锂电池热失控机理的研究主要集中在以下几个方面:首先是材料层面的研究,包括正负极材料、电解液以及隔膜等。
这些材料的物化性质和结构对锂电池的热失控行为起到重要影响,因此通过研究材料特性和相互作用,可以揭示热失控的机理。
基于Comsol的锂电池模组热失控仿真研究
程露;柳亮;叶国骏;唐琼
【期刊名称】《武汉工程职业技术学院学报》
【年(卷),期】2024(36)1
【摘要】随着越来越多纯电动车安全事故的发生,锂电池的热安全性引起越来越多的关注。
论文基于Comsol软件,对锂电池包建立集总模型,用外部试验测得的参数模拟内部电芯的电化学特性,研究电池包内部某一电芯热失控状态下,电池包其他电芯热失控状态以及整个电池包热失控蔓延的过程。
电池SOC即荷电状态,用来反映电池的剩余容量,研究发现SOC越大,热失控蔓延的现象越严重。
集总模型建模仿真结果显示SOC越小,电压下降的趋势也越明显。
【总页数】4页(P1-4)
【作者】程露;柳亮;叶国骏;唐琼
【作者单位】武汉交通职业学院;东风汽车公司技术中心
【正文语种】中文
【中图分类】U462.2
【相关文献】
1.模组箱体空间内磷酸铁锂电池热失控及其传播行为研究
2.基于气压信号突变探测的液冷型磷酸铁锂电池模组热失控预警研究
3.基于Comsol锂离子模组热失控及散热模型仿真
4.气凝胶毡抑制磷酸铁锂电池模组热失控蔓延特性研究
5.基于COMSOL的锂离子电池热失控仿真研究
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锂离子电池热失控与安全性能研究近年来,随着移动设备、电动汽车等领域的快速发展,锂离子电池作为一种重要的能源储存装置,其安全性问题日益受到关注。
锂离子电池在长时间使用过程中存在着一些潜在的风险,其中最为关键的问题之一即是热失控。
本文就锂离子电池热失控及其安全性能的研究进行探讨。
一、锂离子电池热失控的原因锂离子电池热失控是指在使用或充放电过程中,电池内部产生的热量无法有效散发,导致电池发生剧烈的热量积聚和温度升高,最终引发电池的损坏,甚至爆炸、火灾等严重安全事件。
其原因主要可以归结为以下几点:1.1 电池内部短路电池内部短路是导致热失控的主要原因之一。
当电池内部的正负极直接接触,或者通过内部分离器短路时,会产生大量电流,引发电池的剧烈反应,从而产生热量。
1.2 过充和过放电锂离子电池的充放电过程中,如果电池充电至过高的电压或者放电至过低的电压,都可能引发热失控。
过高的充电电压会导致电池内部产生气体,进而引发热量积聚;而过低的放电电压则会导致电池内的锂离子结构破坏,同样会产生大量热量。
1.3 外界损伤电池外壳的损伤或者短路、穿刺等外力作用也可能引发热失控。
当电池外壳受损,内部正负极发生短路,或者电池被穿刺等导致内部电解液泄漏时,会引起电池的剧烈反应,造成热量积聚。
二、锂离子电池安全性能的研究为了解决锂离子电池热失控问题,提高其安全性能,研究者们进行了广泛的研究与探索。
2.1 硬件安全设计在锂离子电池的硬件方面,研究者们通过改进电池结构和设计,提高其安全性能。
包括引入阻燃剂、采用高熔点材料、设计热敏开关装置、采用防爆膜等措施,以提高电池的热稳定性和安全性。
2.2 智能监测与管理系统通过引入智能监测与管理系统,可以及时监测和管理电池的充放电状态,避免在充电或放电时出现异常情况。
智能监测系统能够实时测量电池的电压、温度、电流等参数,并根据实时数据对电池进行监控和预警。
一旦电池出现异常,及时采取措施来避免或减少事故的发生。
锂离子电池热失控过程温升速率说到锂离子电池,咱们平常可离不开它,手机、笔记本、平衡车,甚至电动汽车,都在悄悄地靠它充电呢。
你可能会觉得,锂离子电池挺靠谱的,充电快、续航长,可为什么总是听说它们“爆炸”啊、热失控什么的?你别小看这个“热失控”哦,别看名字听起来就像科幻电影里的情节,它可是有着很强的“现实感”。
说白了,就是电池在某些情况下会因为温度升高,发生一连串的化学反应,搞得电池像是要发火一样,直接变成“热锅上的蚂蚁”,啥也控制不住了。
一旦锂电池发生热失控,温度就会飙升,速度那是杠杠的,简直比某些人做事时的冲动还要迅猛!我给你打个比方吧,想象一下你在家里做饭,锅里一开始煮的是水,没什么大不了的,可突然有一天你忘记开火了,水变得越来越热,锅底也跟着发烫,结果锅盖砰的一声就被冲飞了。
其实锂离子电池也是类似的,它会经历一个温度逐步升高的过程,直到某个点,电池里的化学反应开始加速,压力骤然增加,连电池的外壳都可能会被炸裂,电池的内容物可能会泄露出来,甚至冒烟起火!说实话,简直让人有点头皮发麻,吓得你从椅子上跳起来。
那这个“温升速率”到底是什么鬼?简单来说,它就是锂电池在热失控过程中,温度上升的速度。
这个速度可是一个非常重要的指标,因为温度上升得太快,电池就根本来不及散热,化学反应越加剧,后果就越严重。
你可以想象,就像煮开水的速度,如果火候掌握得不对,水没多久就会溢出来,弄得一团糟。
而在锂电池的世界里,热失控也是如此。
它从电池内部的微小变化开始,温度一点一点地上升,直到最后爆发。
至于这个过程有多快,嗯,不容小觑,最快的速度甚至会让你眼睛眨一下就错过了。
说实话,这个问题在一些高压、高能量密度的电池中更是个麻烦。
你想想,电动汽车的电池可比我们日常手机电池大得多,电量也高得多。
更有意思的是,电池一旦在温度过高的环境下工作,问题就会变得更加棘手。
这可不是说把电池放在高温的太阳底下就完事了。
你知道嘛,电池内部其实是有一定的温度限制的,超出了它的舒适区,它就会像个暴脾气的人,立马爆发。
锂离子电池热失控危险性研究进展摘要:新能源电动汽车凭借其运行过程智能化高、环保性好成为汽车领域技术发展的热点之一,有望取代传统的燃油汽车。
与此同时,新能源汽车燃爆事故屡有发生,事故呈现多发性、严重性和易复燃等特点,其起火源大多为锂离子动力电池。
锂离子电池单体事故会依次经历电池内部连锁化学反应、电池热失控气体释放、电池燃烧或爆炸。
对于电池模块/电池包而言,其内部还会发生热失控传播。
与其他火灾事故一样,锂离子电池事故也会产生一些有毒有害气体,对人体健康造成危害。
关键词:锂离子电池;热失控;危险性;措施1热失控气体锂离子电池热失控气体为混合气体,想要对热失控气体的危险性进行研究,首先要掌握气体成分组成及含量。
研究方法大多是在密闭空间内引发锂离子电池的热失控,再将气体从容器中导出,然后进行检测分析。
针对过充、过放和短路等3种工况下的锂离子电池热失控气体收集,设计了收集装置并对可行性进行了分析,同时通过实验验证了可操作性。
对以LiCoO2/Li(Ni0.50Mn0.25Co0.25)O2、Li(Ni0.45Mn0.45Co0.10)O2和LiFePO4为正极材料的18650型商用锂离子电池进行外部加热诱发的热失控实验。
利用气相色谱仪对气体组分进行分析,实验测得气体释放量高达0.27mol。
对以Lix(Ni0.80Co0.15Al0.05)O2和LixFePO4为正极材料的两种18650型电池在不同荷电状态(SOC)下进行23次热失控实验,采集并分析热失控气体样品,认为:与以LixFePO4为正极材料的电池相比,以Lix(Ni0.80Co0.15Al0.05)O2为正极材料的电池热失控气体中CO2和H2占比更高;SOC较高的电池会产生更多的气,气体组分随着SOC的变化而变化;CO2随着SOC的增加而减少,H2和CO则相反。
通过加速量热仪(ARC)诱发18650型锂离子电池热失控,并收集检测热失控气体,结果表明:热解气体主要成分为CO2,其次是CO、C2H4和H2。
第38卷第10期2019年10月电工电能新技术AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergyVol.38ꎬNo.10Oct.2019收稿日期:2018 ̄11 ̄23基金项目:国家电网公司总部科技项目(B442GY170045)作者简介:廖正海(1994 ̄)ꎬ男ꎬ湖南籍ꎬ博士研究生ꎬ研究方向为光谱学与分析化学及高电压技术的学科交叉研究ꎻ张国强(1964 ̄)ꎬ男ꎬ河北籍ꎬ研究员ꎬ博导ꎬ研究方向为在线监测与故障预警技术研究及仪器研制ꎮ锂离子电池热失控早期预警研究进展廖正海1ꎬ2ꎬ张国强1ꎬ2(1.中国科学院电工研究所ꎬ北京100190ꎻ2.中国科学院大学ꎬ北京100049)摘要:锂离子电池具有能量密度高㊁循环寿命长㊁环境友好㊁无记忆效应等优点ꎮ作为电动乘用车㊁便携式电子设备㊁分布式储能等领域的核心部件ꎬ锂离子电池在遭遇机械滥用㊁电滥用㊁热滥用时ꎬ极易发展成为热失控ꎬ对其安全性产生极大威胁ꎮ为提高锂离子电池抗热失控风险能力ꎬ在符合出厂安全检测指标前提下ꎬ在其应用场景内引入热失控早期预警机制ꎬ在以锂离子电池为动力的应用系统安全管理中具有非常重要的实用价值ꎮ本文对现有的锂离子电池热失控早期预警技术研究进展进行了综述总结ꎬ并对锂离子电池热失控早期预警技术及其故障预测准确度的改进策略进行了展望ꎬ旨在对未来提升锂离子电池安全可靠性提供指导意义ꎮ关键词:锂离子电池ꎻ应用安全性ꎻ热失控ꎻ电池管理系统ꎻ温度检测ꎻ气体检测ꎻ光谱技术DOI:10 12067/ATEEE1811044㊀㊀㊀文章编号:1003 ̄3076(2019)10 ̄0061 ̄06㊀㊀㊀中图分类号:TM912 91㊀引言随着能源转型和能源革命的推进ꎬ高比能电池在电动乘用车㊁便携式电子设备㊁分布式储能领域的需求越来越显著ꎮ自1980年Goodenough制备出第一片钴酸锂锂离子电池雏形ꎬ1991年索尼公司推出第一款商业化锂离子电池之后ꎬ由于锂离子电池具有能量密度高㊁循环寿命长㊁环境友好㊁放电平稳㊁无记忆效应等优点ꎬ受到了相关领域重点关注[1ꎬ2]ꎮ然而受相关领域的安全性能升级需求影响ꎬ作为这些领域动力系统的核心部件ꎬ锂离子电池的安全性受到了行业内外的广泛关注ꎮ热失控是锂离子电池安全性改善研究的主要对象[3ꎬ4]ꎮ当受到外力作用导致电池壳体发生形变或刺穿造成电池机械滥用ꎬ或未按照电池本身电特性参数要求进行使用ꎬ导致过充电㊁过放电㊁外部短路造成电池电滥用ꎬ或因外部因素㊁电池副反应产热原因导致电池局部过热造成电池热滥用ꎬ都会使得锂离子电池在极短的时间内发生放热连锁反应ꎬ引起电池温度急剧升高ꎬ进一步发展成热失控ꎬ最终导致冒烟㊁起火燃烧甚至爆炸事故发生[5ꎬ6]ꎮ锂离子电池导致的冒烟㊁起火燃烧㊁爆炸事故对公众的生命财产安全产生了极大的威胁ꎮ特别是在大规模储能应用领域ꎬ当锂离子电池发生热失控ꎬ引发起火㊁爆炸等事故时ꎬ整个储能电站将毁于一旦ꎬ而且对电站周边环境㊁公众的安全与财产产生一定的负面效应ꎮ而实现大规模分布式能源的储存与可靠性应用ꎬ是当前国际能源战略部署的主要方针ꎮ为了提高锂离子电池产品的性能ꎬ提高抗热失控风险的能力ꎬ保障公众的生命㊁财产安全ꎬ国内外相关机构相继发布了锂离子电池安全性试验/测试规范[7 ̄10]ꎬ通过模拟电池可能出现的故障现象来评价其是否满足出厂安全性能检测要求ꎮ即使出厂的锂离子电池符合安全性检测标准ꎬ也无法完全避免锂离子电池热失控的发生ꎮ2016年ꎬSamsungNote7因工艺缺陷使得电池局部过热而引发了多起爆炸事故ꎻ2017年ꎬ河南平顶山因电池过充电导致捷马电动单车发生起火爆炸事故ꎻ2018年ꎬ美国加利福尼亚州一辆特斯拉ModelX与高速公路隔离带碰撞造成电池机械滥用发生ꎬ最终导致车辆自燃[3ꎬ4]ꎮ锂离子电池热失控发展过程中ꎬ通常伴随着电62㊀电工电能新技术第38卷第10期池温度㊁电压㊁电流以及副反应所释放出来的气体成分及其浓度的变化[11]ꎮ因此ꎬ在相关领域中应用时ꎬ将电池温度㊁电压㊁电流以及副反应所释放出来的气体成分作为电池热失控故障辨识参数ꎬ引入热失控早期预警机制ꎬ是当前以锂离子电池为动力的应用系统安全管理升级的主要手段ꎮ有鉴于此ꎬ本文对现有的锂离子电池热失控早期预警技术研究进展进行了综述总结ꎬ并对锂离子电池热失控早期预警技术及其故障预测准确度的改进策略进行了展望ꎬ旨在对未来提升锂离子电池应用安全可靠性提供指导意义ꎮ2㊀锂离子电池热失控早期预警技术研究进展㊀㊀通过研究锂离子电池热失控行为ꎬ将电池温度㊁电压㊁电流以及副反应所释放出来的气体成分作为故障辨识与诊断参数ꎬ来实现电池热失控早期预警ꎬ从而提升锂离子电池安全性ꎬ保障人民的生命与财产安全ꎬ是很有必要且可行的方案ꎮ基于此ꎬ研究人员相继提出了基于电池管理系统(BatteryManage ̄mentSystemꎬBMS)实时监测电池电压㊁电流㊁电池表面温度等信号的热失控预警技术[12-18]㊁基于电池内部状态预测的热失控预警技术㊁基于气体检测的锂离子电池热失控早期预警技术ꎬ并通过实验室试验和实际现场应用验证了相关预警技术确实可行ꎮ2 1㊀基于内部状态预测的热失控预警技术现代BMS依赖于监视外部参数(如电压㊁电流和电池表面温度)以保证电池工作的安全性㊁可靠性ꎮ但对于锂离子电池这一完全密闭系统而言ꎬ通过外部参数监测无法对其进行完全准确的模拟ꎬ也无法准确地反映其内部的电化学变化ꎬ从而使得现代BMS无法全面地评估电池单体的潜在热失控风险ꎮ有学者提出通过监测电池内部状态ꎬ来改进现代BMS中状态估计所需辨识参数ꎬ对电池热失控风险进行更精确的评估ꎬ在锂离子电池热失控早期预警中具有重要价值ꎮGrandjeanT等人对容量为20A h的LiFePO4锂离子电池的热特性进行仿真研究ꎬ发现在大倍率放电状态下ꎬ电池内部温度与表面温度之间温差最大可达20ħꎬ认为通过测量电池表面温度ꎬ难以真实地反映锂离子电池的真实状态[19]ꎮ为了解决锂离子电池内部核心温度的监测难题ꎬParhiziM等人根据锂离子电池的热特性以及热失控过程中化学反应动力学特征ꎬ建立了基于热传导分析的电池内部温度追踪模型ꎬ并利用Li(Ni0 45Co0 1Al0 45)O2㊁LiMn2O4两种不同阴极材料的锂离子电池进行了实验验证ꎮ通过实验与仿真发现ꎬ热失控期间锂离子电池内部温度比表面温度高近500ħꎬ因此ꎬ认为单纯的利用表面温度测量值来预测锂离子电池热失控潜在风险是不合理的[20]ꎮ图1为Li(Ni0 45Co0 1Al0 45)O2㊁LiMn2O4锂离子电池内部温度与表面温度测量曲线ꎮ图1㊀锂离子电池内部温度与表面温度测量曲线[20]Fig.1㊀Internaltemperatureandsurfacetemperatureoflithium ̄ionbatteries[20]RaghavanA等人提出了一种基于嵌入式可折叠布拉格光纤传感器的锂离子电池内部状态监测方案ꎬ当电池内部应力或温度发生变化时ꎬ布拉格光纤折射率㊁折射光波长随之变化ꎬ然后通过测量折射光波长的变化ꎬ判断电池内部应力和温度的变化ꎬ再配合现代BMSꎬ实时监控锂离子电池故障辨识参数ꎬ进而实时预测电池的荷电状态㊁健康状态ꎬ实现对锂离子电池热失控的早期预警[21ꎬ22]ꎮ图2为嵌有可折叠布拉格光纤传感器的锂离子电池示意图ꎮSrinivasanR则提出了一种基于阻抗相移快速监测法的锂离子电池热失控预警方法ꎬ利用具有高分辨率的SolartronSI1287电化学阻抗仪和Solartron廖正海ꎬ张国强.锂离子电池热失控早期预警研究进展[J].电工电能新技术ꎬ2019ꎬ38(10):61 ̄66.63㊀图2㊀嵌有布拉格光纤传感器的锂离子电池示意图[21]Fig.2㊀Schematicoflithium ̄ionbatterywithembeddedcollapsibleBraggfibersensor[21]SI1250频率响应分析仪实时检测电池内部阻抗ꎬ将阻抗测量频率范围设定为0 8Hz~1kHzꎬ每隔5Hz采样一次ꎬ将扰动电流的幅值设定为100~200mAꎬ随后测取不同荷电状态下的锂离子电池内部阻抗ꎬ并将测得的内部阻抗分解为两个部分:阻抗振幅|Z|和阻抗相移φꎬ再利用阻抗相移φ与电池容量弱相关ꎬ而与电池内部温度强相关规律ꎬ来实现锂离子电池内部温度在线监测ꎬ并认为在现代BMS中集成阻抗相移监视器能够有效预测并防止锂离子电池热失控发生[23ꎬ24]ꎮ图3(a)和图3(b)分别为不同温度下锂离子电池阻抗谱和锂离子电池阻抗奈奎斯特分析图谱ꎮ从奈奎斯特图谱中可以看出阻抗振幅|Z|㊁阻抗相移φ与阻抗实部Zᶄ㊁虚部Zᵡ㊁阻抗角θ之间的关系ꎬ由于电池阻抗是与频率相关的复数ꎬ因此阻抗振幅|Z|㊁阻抗相移φ均随阻抗测量频率的改变而变化ꎮ图4为热失控发展过程中锂离子电池内部阻抗相移和表面温度变化情况示意图ꎬ从图4中可以看出ꎬ热失控早期锂离子电池的表面温度变化缓慢ꎬ而内部阻抗相移则因为电池故障表现异常ꎬ因此认为采用内部阻抗相移快速监测法较表面温度监测法能够更有效地实现热失控早期预警ꎮ2 2㊀基于气体检测的热失控早期预警技术锂离子电池热失控早期ꎬ由于电池温度㊁放电电压㊁放电电流等特征识别参数的变化非常缓慢ꎬ通过现代BMS无法及早地监测到电池故障ꎬ而此时电池内部电化学反应会产生大量的气体物质ꎬ因此ꎬ利用气体检测传感器来实现锂离子电池热失控早期预警在理论上是可行的ꎮFernandesY等人利用高分辨率的气体检测装图3㊀锂离子电池阻抗谱及其奈奎斯特分析图谱[23ꎬ24]Fig.3㊀ImpedancespectrumoflithiumionbatteryanditsNyquistanalysis[23ꎬ24]图4㊀热失控过程中锂离子电池内部阻抗相移和表面温度变化曲线[23]Fig.4㊀Schematicofimpedancephaseshiftandsurfacetemperatureoflithiumionbatteryduringthermalrunaway[23]置ꎬ实时地监测了26650型LiFePO4锂离子电池从正常状态过充电至热失控状态的温度㊁气体发生行为ꎮ气体检测装置在热失控早期监测到了大量的碳酸二甲酯(DMC)㊁CO2㊁CO㊁碳酸甲乙酯(EMC)㊁CH4气体ꎬ一段时间后从观察到电池外壳破裂ꎬ判定其发生了热失控ꎬ此时电池产气速率急速上升ꎬ而且检测到了有害气体CH3OCH3㊁CH3OCHO㊁C2H4[25]ꎮ64㊀电工电能新技术第38卷第10期哈尔滨工业大学的王书洋通过对锂离子电池的有机电解液进行红外谱图测试ꎬ发现酯官能团在1760cm-1处存在强度较大㊁峰型尖锐的吸收峰ꎬ在1300~1000cm-1处ꎬ通过酯官能团的指纹吸收区可以判定具体的酯种类[26]ꎮ结合FernandesY和王书洋的实验结果ꎬ利用红外光谱技术㊁气体传感技术等实时监测电池内可挥发性有机电解液或副反应产生的CO2㊁CO之类的无机气体理论上都能有效地实现锂离子电池热失控早期预警ꎮ王志荣等人公开了一项基于气体检测的锂离子电池热失控自动报警器及其监测方法的发明专利ꎬ如图5所示ꎬ该专利由气体收集装置㊁气体检测装置㊁控制装置㊁报警装置组成ꎬ其中ꎬ气体检测装置采用了对H2和CO具有高灵敏度的费加罗气体传感器TGS822TFꎬ该传感器在室温条件下的气体浓度测量范围为100~1000ppmꎬ当传感器检测到CO和H2浓度达到120ppm时报警装置响应ꎬ发出警报信号[27]ꎮ王志荣等人的发明也证实气体检测传感器应用在锂离子电池热失控早期预警技术上是切实可行的ꎮ图5㊀基于气体监测的锂离子电池热失控自动报警器[27]Fig.5㊀Schematicofautomaticalarmdeviceforlithium ̄ionbatteryduringthermalrunawaybasedongasmonitoring[27]美国Nexceris公司也公开了一项基于气体监测的锂离子电池热失控自动报警系统的发明专利ꎬ与王志荣的专利不同之处在于ꎬ该系统中气体检测装置采用了自主研制的ppb级SnO2基陶瓷半导体气体传感器ꎬ通过监测电池热失控早期释放的电解液蒸汽ꎬ如碳酸二甲酯㊁碳酸二乙酯ꎬ能更早地监测到锂离子电池热失控早期故障信号ꎮ图6为基于温度检测技术㊁电压检测技术㊁气体检测技术的锂离子电池热失控早期预警效果ꎬ从图6中可以看出采用气体检测技术能够在到达热失控峰值前7~8min实现检测并预警ꎬ比采用电压检测技术提前2minꎬ比采用温度检测技术提前7 4minꎬ因此采用气体检测手段能更早地发出预警信息ꎬ为避免锂离子电池热失控或者人员撤离赢得了更多的时间[28 ̄32]ꎮ图6㊀温度检测技术㊁电压检测技术㊁气体检测技术热失控预警效果比较[28]Fig.6㊀Comparisonofearly ̄warningresultsofnovelgassensorꎬtemperaturesensorandvoltagesensor[28]3 结论受以热失控为特征的安全性问题制约ꎬ锂离子电池作为便携式移动电子设备㊁电动乘用车㊁航天航空动力电源㊁分布式储能等领域的能源解决方案的核心部件ꎬ其安全性受到了行业内外的广泛关注ꎮ现有研究表明ꎬ将电池温度㊁电压㊁电流以及副反应所释放出来的气体成分作为故障辨识参数ꎬ实现锂离子电池热失控早期预警ꎬ提升锂离子电池安全可靠性ꎬ保障人民的生命与财产安全ꎬ是很有必要且可行的方案ꎮ针对现代BMS实时监测的热失控预警技术ꎬ为了提高其故障监测能力ꎬ可采用或研制出更高精度㊁更高可靠性的温度传感器㊁电压传感器ꎻ为了提高其故障诊断能力ꎬ则需要设计出可靠性更强ꎬ预测准确度更高ꎬ故障识别速度更快的状态参数估计模型ꎮ针对基于电池内部状态预测的热失控预警技术ꎬ一方面需要提高嵌入电池内部的传感器检测分辨率和耐高温能力ꎬ另一方面则需要对锂离子电池的封装工艺进行改进ꎬ以保证嵌入有检测传感器的锂离子电池正常工作时电解液不会泄漏ꎮ最后可以将电池内部温度预测技术与现有的BMS实时检测技术进行配合ꎬ从而建立精确度更高的锂离子电池热失控潜在风险评估模型ꎮ针对气体检测的锂离子电池热失控早期预警技术ꎬ由于现有的电化学原理传感器㊁半导体传感器等均存在检测精度不高㊁气体交叉干扰以及气体传感廖正海ꎬ张国强.锂离子电池热失控早期预警研究进展[J].电工电能新技术ꎬ2019ꎬ38(10):61 ̄66.65㊀器中毒等问题ꎬ因此研制便携式新型气体传感器ꎬ如MEMS光声光谱仪㊁红外光谱仪等微型光学气体传感器ꎬ在基于气体检测的锂离子电池热失控早期预警应用中是很有价值的ꎮ参考文献(References):[1]NishiY.Lithiumionsecondarybatteriesꎻpast10yearsandthefuture[J].JournalofPowerSourcesꎬ2001ꎬ100(1 ̄2):101 ̄106.[2]赵文智ꎬ刘合ꎬ张国生(ZhaoWenzhiꎬLiuHeꎬZhangGuosheng).石油被替代的可能性与路径之思考(Thepossibilityandscenariosofpetroleum ssubstitution)[J].科学通报(ChineseScienceBulletin)ꎬ2017ꎬ62(36):4228 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2009年11月
NOV.2009
华南师范大学学报(自然科学版)
jOURNAL OF SOUTH CHINA NORMAL UNIVERSITY
(NATURAL SCIENCE EDITION)
第28届全国化学与物理电源
学术年会论文选・下(增刊)
文章编号:1000—5463(2009)S2—0111—02
锂离子电池的热失控模拟
卢立丽,王松蕊,刘兴江
(中国电子科技集团公司第十八研究所,化学与物理电源技术重点实验室,天津300381)
摘要:通过锂离子电池的热模拟研究,对比了不同环境温度时,锂离子电池的温度变化和热失控状态.进一步模拟了
绝热条件下,锂电池的热失控状态.
关键词:锂离子电池;热失控;热模拟
中图分类号:TM912.9 文献标识码:A
锂离子电池由于具有比能量大,循环寿命长,单
体电压高,自放电小等优点,其应用范围越来越广
泛.但是锂电池在应用中潜在的安全问题已经成为
制约其发展的一个瓶颈,尤其是动力锂离子电池组. 对锂离子电池的热模拟可以进一步理解锂离子电池 热失控的起因和过程,为锂离子电池安全性的提高 提供依据. 锂离子电池热模拟的方法有很多,其中BAR— NETF等人从电池整体的角度模拟了锂离子电池 内短路时的热失控过程 ;DAHN,SPOTNITZ等 人以正负极材料的热性质为基础,模拟了锂离子 电池的热箱实验 J.本文参考了DAHN的锂离 子电池热模型【2 计算了不同环境时,单体电池的 温度变化,以及电池材料对电池安全性的影响. 图1给出了用于模拟计算的电池模型的二维 图.该电池是由12片正极片组成的5 am×6.5 am 叠片电池模型.计算通过商用软件Comsol Mul— tiphysics完成的,其中所用的参数来自文献[2] 5 cm L j { l ; { i 霹 l { 4 min 图1电池模型二维图 Fig.I Schematic of two—dimensional model 图2给出了不同环境温度时锂离子电池温度, 正负极材料和电解液浓度的变化.可以看出对于设 定的锂离子电池在环境温度为423 K时,电池虽然 已失效但是尚可不发生安全事故,然而当环境温度
升高到428 K时,电池已经处于热失控状态.单电
池的容量越大,达到热失控状态所需的环境温度越
低,所以动力电池组中必须综合考虑单电池容量和
电池间降温能力.分析材料浓度和电池温度的关系.
可以看出到400 K时负极开始放热,到420 K时正
极材料开始放热,到500 K时电解液剧烈放热引起
电池的热失控.环境温度越高材料放热反应的热积
累越多,越容易引起电池的热失控.
图3给出了绝热环境下锂离子电池热失控时温
度变化云图,显示了温度由放热点中心向四边的扩
散.
更详细的计算结果和相关实验还在进行中.
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收稿日期:2009一l0一l9
作者简介:卢立丽(1979一),女,山东日照人,天津电源研究扬助理工程师,主要研究方向:锂离子电池安全性模拟研究,Email:joblulili@163.com
ll2 华南师范大学学报(自然科学版) 2009阜
0.76
O.72
U
0.68
0.64
0.6O
0 2 000 4 000 6 000 8 000
Time/s
(a)
300 350 400 450 500 550
0
U
lc
Temperature/K
(b)
Temperature/K Temperature/K
(c) (d)
图2不同环境温度下锂离子电池温度(a),正负极材料(b,e)和电解液(d)浓度的变化曲线图
Fig.2 Curves for temperature(a),concentration of cathode(b),anode(e),and electml ̄e(d)in lithium—ion coils.
Time/s
图3绝热环境下锂离子电池热失控时温度变化云图
Fig.3 The temperature plots of lithium~ion cells in adiabatic surround
S删LATION OF THERM-AL ABUSE FoR LITHIUMIoN CELLS
LU Lili,WANG Songrui,LIU Xingjiang
(National Key Lab of Power Sources,Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 30038 1,China)
Abstract:A thermal abuse model for a lithium—ion cell is used to simulate temperature and thermal abuse for lith-
ium—ion cells around diferent temperature.Furthermore,the model is also employed to calculate thermal runaway
for lithium—ion cells in adiabatic temperature.
Key words:lithium—ion cell;thermal abuse;thermal simulation
【责任编辑成文】
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