IF 15 eTransportation | Tsinghua, BIT, China | 储能 LFP LIB的多维火灾传播

1. 原文链接

DOI Link:

https://doi.org/10.1016/j.etran.2024.100328

2.通讯作者

• Googlescholar:

https://scholar.google.com/citations?user=oIjjYG0AAAAJ&hl=en&oi=ao

• ScienceDirect:

https://www.sciencedirect.com/author/55084333300/xuning-feng

https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=14520568400

• UniversityWeb:

https://www.svm.tsinghua.edu.cn/essay/74/1837.html

https://pure.bit.edu.cn/en/persons/yangjiting-ou

3. 收录日期

4. 研究内容

1. 科学问题

• 探讨锂电池模组内热失控传播的特性及其燃烧行为，重点分析了热量传递和火焰辐射对火灾传播的影响。

GA

2. 实验与模型方法

• 电池类型：使用的是23Ah LFP电池，正极为LiFePO4，负极为石墨。

• 电解液组成：电解液为锂盐（LiPF6）和有机溶剂（DMC、DEC、EMC）混合物。

• 电池电压：电池的标称电压为3.2 V。

• 电池尺寸与重量：电池尺寸为65 mm（长）×22.5 mm（宽）×146 mm（高），单体电池重量为432 g。

• 热性能：电池比热容为1035.83 J/(kg·K)，实验时电池充至100% SOC。

2.2 EV-ARC测试

1. 测试目的：EV-ARC测试用于测量锂电池在热失控过程中产生的热量及热产生速率，提供三个特征温度（T1、T2、T3）和总热量（ΔH）。

2. 内部热电偶安装：步骤包括将电池放电至0% SOC，在电池侧面标记对角线并在中心打孔，插入热电偶并用高温粘合剂封住孔，等待24小时后测试电池电压和内阻。

3. 测试过程：安装完成后，电池充电至100% SOC，并进行热量测量，以监控热失控过程（Fig. 1(a) (b)）。

2.3 燃烧测试

1.测试目的：燃烧测试旨在测量电池在燃烧过程中释放的热释放率（HRR）和总热释放量（THR）。

2.实验设置：实验设置包括左侧的气体收集与分析系统和右侧的燃烧室。电池放置在燃烧室内，进行横向加热，并使用电点火装置点燃热失控时释放的气体（Fig. 1(c)）。

3.热量测量：该测试量化电池燃烧过程中的热释放量，以进一步理解电池热失控机制。

2.4 多维火焰传播测试

1.测试目的：该测试研究电池模块在横向加热下的火焰传播情况，模拟实际的能源存储场景。

2.设置细节：使用500 W加热板加热电池，电池通过云母板和不锈钢夹具夹紧，扭矩为1 N·M。温度数据记录仪记录电池的温度和电压变化。

3.点燃条件：在能源存储电池架中，模块之间保持2 cm的间隙，以反映实际场景。如果电池在热失控时仅释放气体没有火焰，则使用点燃装置强行点燃释放的气体。

4.热电偶布置：在电池单体和模块实验中，使用多组K型热电偶（前部、反向、底部等位置）来捕捉热失控过程中的温度变化。对于非点燃和点燃场景，热电偶的布置(Fig. 2(a) (b) (c) (d))。

Fig. 1. Experimental setup and test schematic. (a) Flowchart of internal thermocouple installation. (b) Layout of ARC test experiment. (c) Lithium battery combustion test.

Fig. 2. Schematic diagram of thermocouple arrangement. (a) Cell. (b) Upper and lower cells. (c) Upper and lower battery modules without ignition. (d) Upper and lower battery modules with ignition.

3. 研究结果

3.1 自然绝热热失控测试（Fig. 3）

1. 测试结果

在100% SOC条件下，LFP电池在自然绝热热失控过程中，电池的内部温度特性表现如下：

1. T1为151°C，当电池内部温度达到T2（254°C）时，热失控发生；

2. 内部温度瞬间从254°C升高到T3（657°C），达到热失控的最大温度；

3. 最大的温度上升率（dT/dt）可达到75°C/s；

4. 内部温度与表面温度之间的最大温差为158°C。

2. 总热量计算：

根据热失控过程中的温度变化，使用方程(1)计算总释放热量ΔH：

T1为自生热温度，T3为热失控时的最大内部温度。根据实验数据，整个热失控过程中释放的总热量为226.42 kJ。

Fig. 3. The characteristics of temperature, temperature rise rate and voltage.

3.2 燃烧行为（Fig. 4）

1. 总体热释放特性

• 电池燃烧的总热释放量（THR）为1862.5 kJ。

• 燃烧过程中热释放率（HRR）随时间变化分为四个阶段。

2. 燃烧阶段

（1）第一阶段：加热期

• 无火焰产生，热释放量为0 kJ。

（2）第二阶段：稳定燃烧期（初始排气阶段）

• 电池在161 s点点燃，电解质蒸气燃烧形成火焰。

• 持续247 s，热释放量为783.4 kJ，占THR的42%。

（3）第三阶段：强烈燃烧期（主要排气阶段）

• 电池在408 s发生热失控，持续59 s。

• 短路引发剧烈喷射火焰，峰值HRR达12.7 kW。

• 释放热量为881.6 kJ，占THR的47%。

（4）第四阶段：火焰衰减期

• 从467 s开始，火焰逐渐熄灭。

• 热释放量为197.5 kJ，占THR的11%。

Fig. 4. Cell HRR curve graph.

3.3 电芯级实验

3.3.1 燃烧特性

1. 未点燃热失控过程（Fig. 5(a)）

（1）第一阶段：排气阶段

• 电池内部温度升高导致安全阀在264 s时破裂。

（2）第二阶段：气体稳定排放阶段

• 气体带走部分热量，持续131 s，无显著气体排放量。

（3）第三阶段：气体强烈排放阶段

• 内部短路引发大量气体和热量产生，气体高速从安全阀排出，持续73 s。

（4）第四阶段：减弱与停止阶段

• 气体流速下降，气体排放逐渐减少直至停止，持续113 s。

2. 点燃热失控过程（Fig. 5(b)）

（1）第一阶段：点火阶段

• 安全阀破裂，点火器点燃喷出的可燃气体，点火时间为112 s。

（2）第二阶段：稳定燃烧阶段

• 排放气体量增多，火焰逐渐稳定，持续261 s。

（3）第三阶段：强烈燃烧阶段

• 内部短路引发喷射火焰，持续51 s。

• 喷射火焰呈间歇性，高速气流会熄灭火焰，随后气体重新点燃形成新的喷射火焰，总共发生两次喷射火焰。

（4）第四阶段：减弱与熄灭阶段

• 气体流速减缓，直至火焰熄灭，持续171 s。

3.3.2 温度特性

1. 未点燃情况下（ Fig. 5(c)）

(1) 短路与电压变化

• 388 s 时内部短路发生，导致热量释放，电压迅速降至 0 V。

(2) 温度分布与梯度

• 热失控首先出现在电芯前表面，然后传递至反面。

• 前表面与反面温度分别为 403.5 °C 和 137.2 °C，形成温度梯度 ΔT1 = 266.3 °C。

(3) 热扩散时间

• 热扩散持续 30 s（Δt1），最终扩散至整个电芯。

(4) 最大温度

• 486 s 时反面温度达 481.1 °C；434 s 时前表面温度达 521.7 °C。

2. 点燃情况下（Fig. 5(d)）

(1) 短路与电压变化

• 370 s 时内部短路发生，电压迅速降至 0 V。

(2) 温度分布与梯度

• 热失控时，前表面与反面温度分别为 411.4 °C 和 134.5 °C，形成温度梯度 ΔT2 = 276.9 °C。

(3) 热扩散时间

• 热扩散持续 33 s（Δt2），最终扩散至整个电芯。

(4) 最大温度

• 484 s 时反面温度达 471.2 °C；410 s 时前表面温度达 523.4 °C。

Fig. 5. Experimental phenomena and results of cells. (a) TR without ignition. (b) TR with ignition. (c) Temperature and voltage characteristics without ignition. (d) Temperature and voltage characteristics with ignition.

3.4 上下电芯实验

3.4.1 火焰传播特性

1. 未点燃情况下（Fig. 6(a)）

(1) 下电芯热失控行为

• 下电芯的热失控行为与前述单电芯实验一致。

• 热失控后，下电芯释放大量可燃气体，这些气体上升并与上电芯底部接触。

(2) 上电芯状态

• 在整个过程中，上电芯未发生热失控。

2. 点燃情况下（Fig. 6(b)）

(1) 下电芯热失控与火焰传播

• 126 s，下电芯点燃，产生火焰包裹上电芯并对其加热。

• 376 s，下电芯发生热失控，喷射出强烈的火焰。由于上电芯的阻挡作用，火焰未被高速气体熄灭，持续燃烧。

(2) 上电芯的响应

• 423 s，上电芯的安全阀破裂并被点燃，产生火焰。

• 431 s，上电芯因热失控喷射出强烈火焰，导致火焰传播。

(3) 传播时间差异

• 在火焰传播影响下，上电芯从气体喷放到热失控的时间比下电芯更短。

3.4.2 温度特性

1. 未点燃情况下（Fig. 6(c)）

(1) 下电芯热失控温度特性

• 热失控时，正反面温度分别为 410.2 °C 和 139.6 °C，温差 ΔT1 为 270.6 °C。

• 热扩散时间 Δt1 为 33 s，随后热扩散至整个电芯。

• 最大正面温度出现在 404 s，为 519.9 °C；最大反面温度出现在 480 s，为 467.4 °C。

(2) 上电芯温度特性

• 下电芯热失控后释放的气体加热上电芯底部，底部温度在 414 s 达到最大值 197.5 °C。

• 上电芯正反面温度均趋于一致，最高约为 43 °C，始终低于底部温度。

• 上电芯未发生热失控。

2. 点燃情况下（Fig. 6(d)）

(1) 下电芯热失控温度特性

• 热失控时，正反面温度分别为 404.5 °C 和 134.2 °C，温差 ΔT2 为 270.3 °C。

• 热扩散时间 Δt2 为 32 s，随后热扩散至整个电芯。

• 最大正面温度出现在 426 s，为 532.2 °C；最大反面温度出现在 501 s，为 492 °C。

(2) 上电芯热失控温度特性

• 受喷射火焰影响，上电芯底部温度逐渐升高，底部温升速度快于正反面。

• 上电芯热失控首先出现在底部，随后热量传递至正反面，热扩散后温度分布趋于一致。

• 热失控发生时，底部、正面及反面温度分别为 318.5 °C、133.8 °C 和 165.2 °C。

• 最大底部温度出现在 502 s，为 514.8 °C；最大反面温度出现在 582 s，为 454.8 °C；最大正面温度出现在 589 s，为 446.4 °C。

Fig. 6. Experimental phenomena and results of upper and lower cells. (a) TR without ignition. (b) TR with ignition. (c) Temperature and voltage characteristics without ignition. (d) Temperature and voltage characteristics with ignition.

3.5 上下模块实验（未点燃）

3.5.1 通气特性（Fig. 7(a)）

1. 下模块

电芯 #1

• 在 277 s 通气，未燃烧。

• 在 421 s 热失控后，电解液和可燃气体以高流速持续向上喷射，通气过程持续 57 s。

• 热失控后向模块内水平传热。

电芯 #2

• 在 521 s 通气，释放更大量气体。

• 在 539 s 热失控后，通气持续 66 s，产生的可燃气体持续加热上模块底部。

电芯 #3

• 在 670 s 放气。

• 在 788 s 热失控，通气持续 71 s，高流速可燃气体继续加热上模块底部。

• 热失控传播时间差异：电芯 #1 通气时间较短，因其受加热板显著预热，容量退化更严重。

2. 上模块

• 整个实验中，上模块未发生放气或热失控。

3.5.2 温度特性（Fig. 7(b),Fig. 7(c)）

1. 下模块电芯温度

• 热失控发生时，热由正面向反面传播。

2. 热扩散时间及速度：

• 电芯 #1-#3 的热扩散时间分别为 45 s、32 s 和 51 s。

• 对应水平传播速度分别为 0.5 mm/s、0.7 mm/s 和 0.44 mm/s。

3. 温度梯度：

• 热失控时电芯 #1-#3 正反面温差分别为 245.9 °C、200 °C 和 100.5 °C。

• 热传播过程中，热量向相邻电芯传递，序列靠后的电芯正反面温差减小。

• 电芯 #4-#6 未发生通气或热失控，其底部最大温度分别为 190.2 °C、238.1 °C 和 193.8 °C。

4. 上模块电芯温度

• 受下模块喷射气体加热，热量从底部向顶部传递。

• 上模块电芯表面最高温度约为 44.8 °C，低于下模块电芯底部温度。

3.5.3 热失控传播特性

1. 热失控起始时间

• 下模块电芯 #1-#3 的热失控起始时间分别为 416 s、541 s 和 788 s。

2. 传播时间差异

• 热失控从电芯 #1 传播到电芯 #2 用时 125 s。

• 从电芯 #2 传播到电芯 #3 用时 247 s，说明 Δt1-2 < Δt2-3。

Fig. 7. Experimental phenomena and results of the upper and lower modules without ignition. (a) TR process of the module. (b) Temperature and voltage characteristics of the lower module. (c) Temperature characteristics of the upper module.

3.6 上下模块实验（点燃）

3.6.1 燃烧特性（Fig. 8）

1. 下模块

（1）电芯 #1

• 159 s：通气气体被点燃，形成火焰。

• 409 s：热失控，喷射火焰加热上模块，火焰未熄灭。

（2）电芯 #2

• 442 s：通气，未达到安全阀破裂压力。内部热电偶破裂，通气气体稳定燃烧。

• 565 s：热失控，通气伴随尖锐噪声。569 s：安全阀破裂，形成持续强烈喷射火焰。

（3）电芯 #3

• 758 s：稳定燃烧，781 s 热失控。792 s：安全阀破裂，形成强烈喷射火焰，燃烧更剧烈。

2. 上模块

（1）电芯 #5

• 612 s：热电偶端口通气并点燃。

• 620 s：热失控，621 s 安全阀破裂，形成柱状强烈喷射火焰。

（2）电芯 #4

• 709 s：稳定燃烧，712 s 热失控，717 s 喷射火焰更剧烈。

（3）电芯 #6

• 785 s：热电偶端口通气并点燃。788 s 热失控，796 s 安全阀破裂，燃烧最剧烈。

3.6.2 温度特性（Fig. 9 和 Fig. 10）

1. 下模块

• 热失控传播时间：电芯 #1-#3 分别为 42 s、34 s 和 12 s。

• 热传播速度：分别为 0.53 mm/s、0.66 mm/s 和 1.88 mm/s。

• 温度梯度：正反面温差分别为 253 °C、150 °C 和 190 °C。

• 内外温差：分别为 93 °C、137 °C 和 120 °C。

• 热失控传播时间差异：从电芯 #1 到 #2 用时 142 s，从 #2 到 #3 用时 223 s。

2. 上模块

• 热失控传播时间：电芯 #4-#6 分别为 48 s、34 s 和 28 s。

• 热传播速度：分别为 0.47 mm/s、0.66 mm/s 和 0.8 mm/s。

• 温度梯度：正反面温差分别为 142 °C、9 °C 和 137 °C。

• 内外温差：分别为 93 °C、25 °C 和 133 °C。

• 热失控传播时间差异：从电芯 #5 到 #4 用时 69 s，从 #5 到 #6 用时 148 s。

3.6.3 热失控传播顺序（Fig. 11）

1. 下模块

• 热失控以顺序传播形式进行，从电芯 #1 开始，依次传播至 #2 和 #3。

2. 上模块

• 热失控以非顺序传播形式进行，由电芯 #5 开始，依次传播至 #4 和 #6。

3. 整体特性

• 下模块表现为顺序传播，上模块表现为非顺序传播，呈现交替传播模式。

Fig. 8. Combustion characteristics of the upper and lower modules with ignition.

Fig. 9. Temperature and voltage characteristics of upper and lower modules with ignition. (a) Cells #1-#3 temperature and voltage characteristics. (b) Cells #4-#6 temperature and voltage characteristics. (c) Cells #4-#6 temperature characteristics of bottom surface.

Fig. 10. Internal temperature characteristics of the upper and lower modules.

3.7 火焰传播热流分析

3.7.1 热量触发分析

1. 触发火焰传播的热量计算

• 假设上模块电芯的火焰传播热量（ΔQ）等于温升所吸收的热量，计算公式如方程 (2)。

• 对于电芯 #2，其火焰传播触发热量为 56.6 kJ，占燃烧总热量 (Qf-cel = 1381.94 kJ) 的约 4.1%。

2. 热失控传播模式

• 下模块：热量水平传递至相邻电芯。

• 上模块：喷射火焰引发垂直传播，同时伴随水平热传递。

• 电芯总热释放（ΔHi）表明上模块释放热量（平均 221.05 kJ）高于下模块（平均 205.69 kJ）。

Fig. 11. Sequence diagram of fire propagation in upper and lower modules. (a) Sequence of cells TR.(b) heat transfer from flames to cell#5.

3.7.2 上模块热量传递与触发分析

1. 从电芯 #1 的热量传递

• 电芯 #4：18.75 kJ，占总热量的 34%。

• 电芯 #5：20.32 kJ，占 37%。

• 电芯 #6：15.71 kJ，占 29%。

• 总热量 54.78 kJ，其中电芯 #5 获得热量最高。

2. 从电芯 #2 的热量传递

• 电芯 #4：11.05 kJ，占总热量的 29%。

• 电芯 #5：15.67 kJ，占 42%。

• 电芯 #6：11.04 kJ，占 29%。

• 总热量 37.76 kJ，电芯 #5 获得热量仍最高。

3. 火焰传播触发热量总结

• 上模块火焰传播触发热量为 35.99 kJ。

• 下模块电芯 #1 和 #2 向上模块传递热量总计 92.54 kJ，其中 59.2% 来自电芯 #1，40.8% 来自电芯 #2。

• 上模块吸收的热量占燃烧总热量的 3%。

Fig. 12. Summary of heat release. (a)heat release of TR. (b)heat transfer between cells.

3.7.3 下模块热量传递与触发分析

1. 热量传递占比

电芯 #1 至 #2：13.22 kJ，占总热量的 5.8%。

电芯 #2 至 #3：24.25 kJ，占总热量的 10.7%。

2. 上模块热量传递占比

电芯 #5 至 #4：2.63 kJ，占总热量的 1.1%。

电芯 #5 至 #6：9.73 kJ，占总热量的 4.3%。

3.7.4 热流传播总结

1. 下模块：水平传递，触发热失控的热量占比不足 11%。

2. 上模块：垂直火焰传播占主导地位，触发热失控的热量占比不足 5%。

3. 实验分析表明: 火焰热辐射是锂电池多维火焰传播的关键因素。

3.7.5 应用建议

1. 抑制技术

采用喷射灭火剂或惰性气体，及时熄灭火焰或降低氧气浓度，最大程度减少火焰热辐射，抑制火焰传播。

Fig. 13. Calculation of fire propagation heat flow in cells and modules.

4. 重要结论

1. 热失控传播特性

下模块热失控传播呈顺序性，上模块表现为非顺序性，受喷射火焰和热辐射影响更显著。

2. 燃烧行为与温度差异

上模块热失控燃烧更剧烈，温度梯度和释放热量均高于下模块，存在更大热危害。

3. 热量传递分析

火焰辐射是主导因素，模块间热传递不足总释放热量的11%，上模块约5%的热量足以触发热失控。

4. 热失控序列与规律

下模块传播时间较长，传播速度较慢；上模块因火焰喷射，传播速度更快，热失控更集中。

5. 抑制措施建议

火焰辐射是多维传播关键，建议采用灭火剂或惰性气体快速抑制火焰，减少热辐射以控制传播风险。

• PDF