Category: 测试

采用三元锂和磷酸铁锂电池作为实验对象，开展锂离子电池单体和锂离子电池组在外部过热条件下的热失控特性研究

实验装置如图2所示，支架为网状结构，可方便对电池进行加热。电池布局分为两种方式：①电池侧面过热，用一个功率为1 kW的加热炉从锂离子电池侧面加热，诱发锂离子电池热失控；②电池底面过热，对一个单体锂离子电池采用功率为1 kW的加热炉从电池底面加热，对锂离子电池组采用两个加热炉共2 kW从底部加热，诱发锂离子电池热失控，加热炉贴近电池表面。电加热炉有效加热面长12 cm，宽12 cm，面积144 cm2，加热功率0～1 kW可调。在进行底部加热时，由于热电偶布置时容易脱落，因此采用夹具固定住。

（1）无外部引燃条件下，磷酸铁锂电池不会自燃，仅安全阀打开，打开时温度为160～165 ℃；三元锂电池会经历安全阀打开、引燃、喷射等阶段，安全阀打开温度为131～135 ℃；三元锂电池热失控所需的单位受热面积导热量为2013.56～4711.7 kJ/m2，磷酸铁锂电池热失控所需的热量为4106.61～4983.97 kJ/m2，在受热位置一致的情况下，磷酸铁锂电池单位受热面积所需的热量远高于三元锂电池。

（2）在采用不同加热位置诱发热失控时，侧面受热达到热失控所需时间均少于底部加热；侧面受热温度上升速率均高于底部加热；三元锂电池温度上升速率高于磷酸铁锂电池。

（3）磷酸铁锂电池组经外部短路引燃后，若热源一直存在会蔓延至周边电池，持续发生喷射现象，因此防止磷酸铁锂电池燃烧最有效的措施是防止外部火源。

退役后的磷酸铁锂电池不仅性能有衰退， 其安全性也可能发生了变化。选用四种衰退状态，容量保持率（capacity retention ratio，CRR）分别为100%、85%、75%及65%的磷酸铁锂动力电池为研究对象，采用锥形量热仪（CONE）对电池关键组件（含电解液的正极片、负极片及隔膜）的燃烧性和生烟性进行了研究。结果表明，随着电池容量保持率的下降，电池组件中负极的有效燃烧热值有所下降。

将电池调整至满电态，置于手套箱（氩气惰性 气氛保护）中拆解，分别取一片正极、负极及隔膜， 裁剪至面积均为 10 cm×10 cm 的平片。基于 ISO5660-1 标准，设置排 气流量 24 L/s，辐照强度 50 kW/m2 。

在 50 kW/m2 的热辐射强度下，电池组 件 3 s 内引燃；从燃烧热效应来看，不同衰退状态 电池组件中均是负极总释放热和有效燃烧热最大， 负极的总释放热值范围在 1 ～ 2 MJ/m2 。随着容量 保持率下降，负极有效燃烧热值从 40 ～ 60 MJ/kg （100%CRR）降到低于 30 MJ/kg（65%）。

用量热仪器测试18650锂离子电池起火的特性，如下图所示。目前研究的加热设备是一个 2 kW 的电加热器，它由一个线圈状的电气元件制成（电热丝炉）。 测试的电池放置在加热器上方 2 厘米的金属丝网上。 在电加热器中心线上方 2 cm 处测得的最大辐照度约为 20 ± 0.3 kW m-2 。 设置分辨率为 0.01 g、量程为 9 kg 的电子秤来支撑炉子并测量质量损失。 使用两个K 型热电偶（直径 0.5 cm，精度为 0.1 C）测量电池的表面温度。 热释放率测量方法基于符合 ISO 9705 和 ISO 5660 的耗氧量原则。 具体来说，使用仕富梅 4100 分析仪对 O2、CO2 和 CO 的浓度进行采样和分析。

18650 Li–Co 电池的燃烧效果，有两个不同燃烧阶段；研究表明，高SOC的电池在第一次弹射后会积累更多的能量和气体，电池内部会发生更剧烈的反应。另一个显着现象是 100% 和部分 75% SOC Li-Co 18650 电池会喷出大量的白色火花。最后，电池火经过第二次稳定燃烧后最终减弱并熄灭。

热失控通常发生在电池温度超过一定阈值时，触发一系列产热分解过程和反应，进一步提高电池温度。这种非线性现象，其中一个过程产生的热量触发了一个新的分解过程，产生更多的热量，甚至最终导致火灾和灾难性故障。

虽然数值模型允许计算热失控期间锂离子电池中的温度场，但显然需要开发分析热模型来解决潜在的能量守恒方程并提供封闭形式的解决方案来预测在以下情况下是否会发生热失控现实条件。虽然由于热失控的非线性特性，这种方法本质上具有挑战性，但它将提供一个计算效率高且通用的模型来预测各种场景下的热失控。这可能有助于开发用于实时监测和分析传热参数效果的工具，包括评估热失控预防策略。

尽管在分析模型中使用了热生成项的分段线性化，但它仍然与尚未进行这种线性化的有限元模拟具有良好的一致性。这清楚地表明，在分析模型中所做的简化并不以牺牲模型捕捉热失控现象的准确性和适用性为代价。

比较电池表面温度作为时间函数的分析模型和有限元模拟，用于 26650 电池进行烘箱测试，烘箱温度为 150°C，与所有四个关键分解反应相对应的温度相关发热。