关键词：
磷酸铁锂电池
热失控及传播
液氮
注氮参数
抑制效果
摘要：
锂离子电池具有高充电效率、高能量密度、较长的循环寿命、绿色环保等优点,成为电化学储能中应用最为广泛的储能技术。其中,磷酸铁锂电池以其出色的安全性、优秀的循环寿命、较低的成本,成为目前国内电化学储能电站最具竞争力的电池技术。但是,锂离子电池本身所具有的化学特性使得锂离子电池火灾安全事故频发,危害人民生命财产安全,阻碍了其安全高效发展。因此,开展对储能用磷酸铁锂电池热失控的抑灭方法研究尤为必要。本文从磷酸铁锂电池热失控特性出发,开展了单体电池、电池模组的热失控及传播特性实验,分析了不同注氮参数对单体电池和电池模组热失控的抑制效果,为液氮在储能领域的工程应用提供了理论基础和技术参数,主要工作如下:(1)研究了不同SOC单体电池的热失控特性。随着SOC的增大,电池热失控火灾规模变大,质量损失更多,产生CO含量更高,热失控触发温度和触发时间下降,热失控的最高温度上升。电池热失控热量的快速积聚主要发生在自加热燃爆阶段,SOC增大,热失控过程积聚的热量增多,100%SOC时积聚的热量最大为663.79k J,热量积聚的速度最快为20.39k W。(2)阐明了不同加热位置下电池模组的热失控及传播特性。单侧加热工况仅触发2个电池热失控、1个电池安全阀打开,而中间加热方式导致6个电池触发热失控,第一排电池安全阀全部打开。确定了热失控的传播路径:单侧加热电池模组热失控传播路径为1#→2#→3#,中间加热电池模组热失控传播方向为3#→2#→1#,1#电池热失控产生热量传递回2#电池,加热板另一侧传播路径为4#→5#→6#,6#电池热失控产生热量,一部分继续传向7#电池,另一部分传回5#电池。单侧加热工况下,热失控模组对电池簇无明显影响。中间加热工况下,热失控模组对电池簇内上下两个模组的影响较大,上下模组存在发生连锁反应、触发热失控的危险。(3)揭示了不同注氮参数下液氮对单体电池热失控的抑灭效果。在电池未开启安全阀前注入少量液氮即可阻止热失控的发生,在热失控温度最高时注入,液氮能够在8s内熄灭电池火灾。间歇注氮的注氮方式要优于连续注氮;注氮量过多,冷却效率将变低,注氮量为8kg时效果最好,实际降温达98.5℃,冷却效率为0.040;注氮管径为20mm时抑制效果更好,且存在一个最优管径,其冷却效率与实际降温能达到最优。(4)研究了不同注氮参数下液氮对储能预制舱内电池模组热失控的抑制效果,结果表明液氮在10s内即可扑灭电池模组火灾。注氮量增加,实际降温增大,但冷却效率降低,注氮量为13kg时效率最高为0.061,考虑到经济性,13kg的注氮量要更适合本实验电池模组热失控的抑制;注氮位置在电池模组上方时,仅有一个电池发生热失控,注氮位置为后方和左侧时,有两个电池发生了热失控,注氮位置在上方更有助于抑制电池模组热失控;注氮管径减小,出口流速加快,对电池的冲击更强,但与电池表面接触面积减少,注氮管径大,出口流速慢,无法及时的冷却电池,导致其冷却量和冷却效率都比较低,注氮管径为20mm时抑制效果最优。本论文有图70幅,表24个,参考文献70篇。
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