常压和低压下锂原电池、锂离子电池火灾行为研究

发布时间：2017-12-10 13:31

  本文关键词：常压和低压下锂原电池、锂离子电池火灾行为研究

  更多相关文章： 锂原电池 锂离子电池 火灾行为 充电状态 热释放速率 高海拔 低气压 电池个数 电池组配置

【摘要】：目前锂电池在各种电子产品中得到广泛应用,与之而来的是锂电池的火灾和爆炸事故常有发生,在锂电池应用的同时需要对其火灾和爆炸危险问题进行精确评估。本论文的工作总结如下:首先进行了锂原电池燃烧特性的实验研究。在量热平台中进行单个和多个锂原电池的燃烧试验以测量它们的燃烧参数。在这些测试中,电池暴露于20kWm-2的辐照下,测量的参数包含点燃时间、质量损失、热释放速率和温度分布等。实验结果发现多个锂原电池燃烧具有超过1200℃的火焰温度并释放大量热和腐蚀性的化合物。结果表明,燃烧效率、二氧化碳产生量和质量损失与电池的数量成正比。可以用指数增长经验公式来描述一定数量内电池组燃烧热量和电池数量的关系。这些结果为锂原电池的使用、储存和分配过程中的防火措施提供了科学依据。测试了两种商业18650锂离子电池在不同充电状态下的燃烧性能。测量和评价了锂离子电池的燃烧特性,包括表面温度、点燃时间、质量损失和热释放速率(HRR)。通常锂离子电池在经历热失控的情况时会发生破裂、燃烧、甚至爆炸现象。固体电解质界面膜的分解和聚合物隔膜的分解被认为是导致锂离子电池燃烧的直接原因。实验结果表明,HRR和燃烧热量通常随着充电状态增加而上升,而第一次喷射的时间和第一、二次喷射之间的时间间隔减小。钴酸锂18650电池表现出比磷酸铁锂18650电池更高的爆炸风险,因为前者释放了更多的氧气。通过氧消耗方法计算和修正实验燃烧热量数据,发现内部产生的氧对热估计具有显著影响,其中100%充电状态的钴酸锂18650电池的最大修正率为29.9%。对不同布置的电池进行了实验,即水平4×1、水平2×2和垂直2×2锂离子电池的火灾实验。实验结果发现,不同的电池组布置可以影响点燃时间、热释放速率、燃烧热量和辐射热流,而质量损失的方式和总质量损失是相似的。结果表明,具有较大受热面积的电池具有更大的热失控危险和更剧烈的燃烧。减小的环境压力会影响燃烧过程中的物理和化学反应,并且燃料的燃烧与普通环境压力下有显著不同的燃烧特性。锂电池的火灾行为同样受环境压力条件的影响,本文提供了在正常和高海拔条件下锂电池火灾的差别实验。在海平面城市合肥(100.8千帕/24米)和高原城市拉萨(64.3千帕/3650米)分别建造了同样配置的量热平台,以研究环境压力对锂电池火灾行为的影响。从锂原电池燃烧对比实验结果中发现,合肥和拉萨锂原电池的质量损失表现为随电池个数增多而增大的线性关系。对于相同电池个数的电池组,质量损失随着压力升高而增加。在高海拔地区,热释放速率、燃烧热量和辐射热流等参数会随着海拔高度的上升和氧气浓度的减少而减小,在拉萨锂原电池的燃烧效率低于合肥。锂离子电池在低压下的火灾危险性的特征表现为点燃时间、质量损失、热释放速率和燃烧热量的减少。单个电池的点燃时间随着充电状态的上升而减小,压力的增加导致相同充电状态的电池点燃更快,质量损失、热释放速率和燃烧热量等参数会随着压力升高和氧气浓度升高而增加。电池组的实验结果发现质量损失和电池数量呈现线性增长的关系,不同之处是在较高压力下的电池具有更高的质量损失。电池组的热释放速率随电池数量的增多而增大,也随环境压力的升高而增大。可以用一种指数增长关系来描述电池组燃烧热量随着电池数量改变的变化规律,并且这个指数增长关系是压力依赖的。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM910

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本文编号：1274634