三元锂离子电池热失控传播及阻隔机制研究
发布时间：2021-07-19 18:15
作为可实现化学能和电能相互转化的能源载体,锂离子电池因为高工作电压、高比能量、长循环寿命等优点,在便携式电子设备、新能源汽车、储能电网、航空航天等领域均有着广泛的应用。然而近年来有关于锂离子电池的火灾爆炸事故屡见不鲜,尤其是在新能源汽车和储能等领域,为满足工作电压和功率的需求,往往将成百上千节电池经过串、并联后集中使用。在此情形下,当电池模组中某一节电池发生热失控,可能会导致整个电池模块的热失控,最终造成整个电池系统的火灾、爆炸事故。针对锂离子电池模组中的热失控传播事件,在本文中进行了以下研究。（1）开展了三元（NCM）锂离子电池单体热失控孕育机理研究:分别从材料和单体角度研究了锂离子电池在热滥用条件下的热失控孕育过程,分析了电池内部正极、负极、隔膜、电解液以及混合体系等材料热反应的触发温度及产热规律,进一步对三元电池的热失控孕育过程进行了阶段性划分,分析在不同温度区间各个热反应对电池失控的热贡献。研究发现在热失控之前,负极嵌入锂与电解液反应放热对电池的温升起到主导作用。而正极材料与电解液反应释放出更多的热量,反应过程也更加剧烈,但是其触发温度相对较高,更多体现在热失控阶段的剧烈温升。...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：153 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?２０１７年全球和中国一次能源消耗结构图??此外，化学能源的大量消耗带来的不仅仅是能源短缺问题，因化学能源消耗??造成的环境污染问题也日益加剧，温室效应、酸雨、光学污染、大气污染等问题??
）?■煤炭Ｃ０２排放总量（百万吨）??ＳｘｌＯ４?－?Ｍｉ?Ｃ０２播放总量（百万吨）??Ｃ０２排放总量（百万吨）??３ｘ１０４?－??Ｓ７Ｘ，＂－?，?■?．?．?Ｖ?－?｜??Ｓ６ｘ１０４?■?１?？＇．？?＇?一?ｇ??ｆ?ｌ：＿＿＿??２００８?２００９?２０１０?２０１１?２０１２?２０１３?２０１４?２０１５?２０１６?２０１７?２００８?２００９?２０１０?２０１１?２０１２?２０１３?２０１４?２０１５?２０１６?２０１７??（ａ）?（ｂ）??图１．２２００８？２０１７年二氧化碳排放量：（ａ）全球二氧化碳排放量；（ｂ）中国二氧化碳排放量??为了应对因温室气体排放造成的全球气候上升问题，在２０１５年１２月的巴??黎气候变化大会上，包含中、英、法、德多个国家共同达成《巴黎协定》，旨在??将本世纪全球平均气温上升幅度控制在２°Ｃ以内。作为大气主要污染源的汽车产??业首当其冲，挪威、英国、法国、德国和西班牙等多个国相继宣布禁售燃油车计??划，中国虽然尚未宣布禁售燃油车的时间节点，但己启动研究禁售传统能源汽车??时间表，由于具有污染物零排放的优点，新能源汽车取代传统燃油汽车大势所趋。??图１．３?（ａ）是２０１４？２０１９年我国新能源汽车销量总数，在２０１９年，我国新能源??汽车销量达１２０．６万辆，已然成为了世界上新能源汽车最大的市常然而，作为??当下新能源汽车的动力来源的主流选择，锂离子电池因为自身的物理化学性质，??仍然存在着一定的安全隐患。近年来关于新能源汽车的火灾事故亦屡见不鲜，如??图１．３?（ｂ）所示，据不完全报道，仅２０１９年５￣８月３个月来我国发生的电动汽??车事故７９起，
?第１章绪论???１．２锂离子电池及安全问题概述??１．２．?１锂离子电池组分和工作原理??作为可实现化学能和电能相互转化的能源载体，锂离子电池（ＬＩＢ）因为工??作电压高、比能量高、循环寿命长、无记忆效应等优点，被广泛地应用于各行各??业中。从最初的便携式电子设备到如今的新能源汽车、储能电网、航空航天等领??域，锂离子电池具有广泛地应用场景。相应地，锂离子电池的应用形式多种多样，??大致可分为电池单体、电池模组、电池簇等形式。??如图１．４所示，锂离子电池的核心组分主要有电极材料、电解液、隔膜、黏??结剂和集流体等，其中正极材料直接决定着锂离子电池的性能优劣和价格高低，??在２０世纪８０年代，Ｇｏｏｄｅｎｏｕｇｈ等人［１］发现嵌入锂离子的氧化钴可以产生高达??４伏特的电压，进一步证实了钴酸锂（ＬｉＣｏ０２，?ＬＣＯ）作为电池电极的应用价值，??１９９１年索尼公司在Ｇｏｏｄｅｎｏｕｇｈ等人的研宄基础上首次开发出了?１８６５０型钴酸锂??电池，这也是最早的一批商用化锂离子电池。但是由于钴金属资源的稀缺，钴酸??锂电池价格始终较为昂贵。为了成本价格更加低廉的电极材料，研究人员开始尝??试合成不同的嵌入锂离子氧化物。当今市场上的电池正极材料除了钴酸锂之外，??磷酸铁锂（ＬｉＦｅＰ〇４，ＬＦＰ）、锰酸锂（ＬｉＭｎ２〇４，ＬＭＯ）和以镍、钴、锰、铝混??合而成的三元材料（Ｌｉ（ＮｉｘＣｏｙＭｎｚ）０２，?ＮＣＭ；?Ｌｉ（ＮｉｘＣｏｙＡｌｚ）０２，?ＮＣＡ）等类型的??锂离子电池有着更为广泛地应用。??｜?■■丨■酬＿?２５％］７１??ｌｌ％?ｇｒａｐｈｉｔｅ?ＬｉＦｅＰ〇４??１??ｖ■■■■■■■?１４％?ｅｌｅｃｔ
【参考文献】：
期刊论文
[1]隔膜对锂离子电池安全性的影响[J]. 徐慧铭. 电源技术. 2019(11)
[2]环氧树脂板对锂离子电池热失控扩展的阻隔作用[J]. 陈才星,牛慧昌,李钊,李磊,莫善军,黄鑫炎. 储能科学与技术. 2019(03)
[3]隔膜对锂离子电池安全性的影响[J]. 蔡惠群,赵雪玲. 电池工业. 2019(02)
[4]不同加热功率触发锂离子电池热失控特性研究[J]. 应炳松,贺元骅. 工业安全与环保. 2018(06)
[5]锂离子电池热失控抑制与防连锁[J]. 张彦辉. 船电技术. 2018(05)
[6]改性天然石墨在锂离子电池上的应用[J]. 叶振坤,吴其修,吴有铭,叶雨佐,韦正乾. 广东化工. 2018(09)
[7]陶瓷涂层隔膜改性锂离子电池隔膜[J]. 杨保全. 合成材料老化与应用. 2018(01)
[8]A Review on Lithium-ion Power Battery Thermal Management Technologies and Thermal Safety[J]. AN Zhoujian,JIA Li,DING Yong,DANG Chao,LI Xuejiao. Journal of Thermal Science. 2017(05)
[9]基于多米诺效应的锂离子电池热释放速率分析方法[J]. 张青松,曹文杰,罗星娜,姜乃文. 北京航空航天大学学报. 2017(05)
[10]锂离子电池热失控多米诺效应实证研究[J]. 张青松,姜乃文,罗星娜,曹文杰. 科学技术与工程. 2016(10)
博士论文
[1]锂离子电池火灾危险性及热失控临界条件研究[D]. 黄沛丰.中国科学技术大学 2018
[2]锂离子电池典型可燃组件热安全性研究[D]. 黄鹊.中国科学技术大学 2018
[3]锂离子电池产热和热诱导失控特性实验研究[D]. 吴唐琴.中国科学技术大学 2018
[4]车用锂离子动力电池热失控诱发与扩展机理、建模与防控[D]. 冯旭宁.清华大学 2016
[5]锂离子电池热失控与火灾危险性分析及高安全性电池体系研究[D]. 平平.中国科学技术大学 2014
硕士论文
[1]高安全性锂离子电池用无机陶瓷隔膜的制备及其性能研究[D]. 成志秀.河北大学 2018
[2]高安全锂离子电池隔膜的制备及应用基础研究[D]. 王莹.华南理工大学 2018
[3]基于液冷策略的锂离子电池组安全管理研究[D]. 黎可.中国科学技术大学 2017
[4]锂离子电池热失控传播特性及阻断技术研究[D]. 胡棋威.中国舰船研究院 2015
本文编号：3291186
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：153 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?２０１７年全球和中国一次能源消耗结构图??此外，化学能源的大量消耗带来的不仅仅是能源短缺问题，因化学能源消耗??造成的环境污染问题也日益加剧，温室效应、酸雨、光学污染、大气污染等问题??
）?■煤炭Ｃ０２排放总量（百万吨）??ＳｘｌＯ４?－?Ｍｉ?Ｃ０２播放总量（百万吨）??Ｃ０２排放总量（百万吨）??３ｘ１０４?－??Ｓ７Ｘ，＂－?，?■?．?．?Ｖ?－?｜??Ｓ６ｘ１０４?■?１?？＇．？?＇?一?ｇ??ｆ?ｌ：＿＿＿??２００８?２００９?２０１０?２０１１?２０１２?２０１３?２０１４?２０１５?２０１６?２０１７?２００８?２００９?２０１０?２０１１?２０１２?２０１３?２０１４?２０１５?２０１６?２０１７??（ａ）?（ｂ）??图１．２２００８？２０１７年二氧化碳排放量：（ａ）全球二氧化碳排放量；（ｂ）中国二氧化碳排放量??为了应对因温室气体排放造成的全球气候上升问题，在２０１５年１２月的巴??黎气候变化大会上，包含中、英、法、德多个国家共同达成《巴黎协定》，旨在??将本世纪全球平均气温上升幅度控制在２°Ｃ以内。作为大气主要污染源的汽车产??业首当其冲，挪威、英国、法国、德国和西班牙等多个国相继宣布禁售燃油车计??划，中国虽然尚未宣布禁售燃油车的时间节点，但己启动研究禁售传统能源汽车??时间表，由于具有污染物零排放的优点，新能源汽车取代传统燃油汽车大势所趋。??图１．３?（ａ）是２０１４？２０１９年我国新能源汽车销量总数，在２０１９年，我国新能源??汽车销量达１２０．６万辆，已然成为了世界上新能源汽车最大的市常然而，作为??当下新能源汽车的动力来源的主流选择，锂离子电池因为自身的物理化学性质，??仍然存在着一定的安全隐患。近年来关于新能源汽车的火灾事故亦屡见不鲜，如??图１．３?（ｂ）所示，据不完全报道，仅２０１９年５￣８月３个月来我国发生的电动汽??车事故７９起，
?第１章绪论???１．２锂离子电池及安全问题概述??１．２．?１锂离子电池组分和工作原理??作为可实现化学能和电能相互转化的能源载体，锂离子电池（ＬＩＢ）因为工??作电压高、比能量高、循环寿命长、无记忆效应等优点，被广泛地应用于各行各??业中。从最初的便携式电子设备到如今的新能源汽车、储能电网、航空航天等领??域，锂离子电池具有广泛地应用场景。相应地，锂离子电池的应用形式多种多样，??大致可分为电池单体、电池模组、电池簇等形式。??如图１．４所示，锂离子电池的核心组分主要有电极材料、电解液、隔膜、黏??结剂和集流体等，其中正极材料直接决定着锂离子电池的性能优劣和价格高低，??在２０世纪８０年代，Ｇｏｏｄｅｎｏｕｇｈ等人［１］发现嵌入锂离子的氧化钴可以产生高达??４伏特的电压，进一步证实了钴酸锂（ＬｉＣｏ０２，?ＬＣＯ）作为电池电极的应用价值，??１９９１年索尼公司在Ｇｏｏｄｅｎｏｕｇｈ等人的研宄基础上首次开发出了?１８６５０型钴酸锂??电池，这也是最早的一批商用化锂离子电池。但是由于钴金属资源的稀缺，钴酸??锂电池价格始终较为昂贵。为了成本价格更加低廉的电极材料，研究人员开始尝??试合成不同的嵌入锂离子氧化物。当今市场上的电池正极材料除了钴酸锂之外，??磷酸铁锂（ＬｉＦｅＰ〇４，ＬＦＰ）、锰酸锂（ＬｉＭｎ２〇４，ＬＭＯ）和以镍、钴、锰、铝混??合而成的三元材料（Ｌｉ（ＮｉｘＣｏｙＭｎｚ）０２，?ＮＣＭ；?Ｌｉ（ＮｉｘＣｏｙＡｌｚ）０２，?ＮＣＡ）等类型的??锂离子电池有着更为广泛地应用。??｜?■■丨■酬＿?２５％］７１??ｌｌ％?ｇｒａｐｈｉｔｅ?ＬｉＦｅＰ〇４??１??ｖ■■■■■■■?１４％?ｅｌｅｃｔ
【参考文献】：
期刊论文
[1]隔膜对锂离子电池安全性的影响[J]. 徐慧铭. 电源技术. 2019(11)
[2]环氧树脂板对锂离子电池热失控扩展的阻隔作用[J]. 陈才星,牛慧昌,李钊,李磊,莫善军,黄鑫炎. 储能科学与技术. 2019(03)
[3]隔膜对锂离子电池安全性的影响[J]. 蔡惠群,赵雪玲. 电池工业. 2019(02)
[4]不同加热功率触发锂离子电池热失控特性研究[J]. 应炳松,贺元骅. 工业安全与环保. 2018(06)
[5]锂离子电池热失控抑制与防连锁[J]. 张彦辉. 船电技术. 2018(05)
[6]改性天然石墨在锂离子电池上的应用[J]. 叶振坤,吴其修,吴有铭,叶雨佐,韦正乾. 广东化工. 2018(09)
[7]陶瓷涂层隔膜改性锂离子电池隔膜[J]. 杨保全. 合成材料老化与应用. 2018(01)
[8]A Review on Lithium-ion Power Battery Thermal Management Technologies and Thermal Safety[J]. AN Zhoujian,JIA Li,DING Yong,DANG Chao,LI Xuejiao. Journal of Thermal Science. 2017(05)
[9]基于多米诺效应的锂离子电池热释放速率分析方法[J]. 张青松,曹文杰,罗星娜,姜乃文. 北京航空航天大学学报. 2017(05)
[10]锂离子电池热失控多米诺效应实证研究[J]. 张青松,姜乃文,罗星娜,曹文杰. 科学技术与工程. 2016(10)
博士论文
[1]锂离子电池火灾危险性及热失控临界条件研究[D]. 黄沛丰.中国科学技术大学 2018
[2]锂离子电池典型可燃组件热安全性研究[D]. 黄鹊.中国科学技术大学 2018
[3]锂离子电池产热和热诱导失控特性实验研究[D]. 吴唐琴.中国科学技术大学 2018
[4]车用锂离子动力电池热失控诱发与扩展机理、建模与防控[D]. 冯旭宁.清华大学 2016
[5]锂离子电池热失控与火灾危险性分析及高安全性电池体系研究[D]. 平平.中国科学技术大学 2014
硕士论文
[1]高安全性锂离子电池用无机陶瓷隔膜的制备及其性能研究[D]. 成志秀.河北大学 2018
[2]高安全锂离子电池隔膜的制备及应用基础研究[D]. 王莹.华南理工大学 2018
[3]基于液冷策略的锂离子电池组安全管理研究[D]. 黎可.中国科学技术大学 2017
[4]锂离子电池热失控传播特性及阻断技术研究[D]. 胡棋威.中国舰船研究院 2015
本文编号：3291186
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