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中创联达助力清华团队电池研究项目!

文章导读


近期,来自清华大学团队的王贺武、张亚军等人利用nac高速摄像机(型号:ACS-1),以“锂离子动力电池中等荷电状态下热失控产物喷发过程研究”为题深入研究了NCM622电池在中等SOC下热失控vent爆开、内容物喷射过程,进一步加深了对电池热失控的认识。成果发表在最近的《储能科学与技术》上。



研究背景


由于防爆阀爆开时电池内部压力非常大,电池热失控过程极为迅猛,通过普通的摄像机记录无法了解其详细过程。故此次研究采用武汉中创联达科技有限公司提供的日本nac高速摄像机(型号:ACS-1)对整个现象进行视频记录。

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图文解析

一般来说,电池在内短路和过充、加热等极端条件下存在热失控风险。对于方形动力电池,除了爆炸等极端案例,热失控其他常见的现象为防爆阀爆开、大量烟雾和火焰从防爆阀口喷出。

此次研究的对象为方形动力电池,其组成包含有fuse(熔断丝)OverchargeSafety Device过充保护装置vent(防爆阀)三大安全设计要素。

电池采用NCM622/的石墨体系,具体实验所用的方形动力电池信息如下表1所示:


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图1.简易实验装置示意图

高速摄像机在辅助光源帮助下对电池热失控喷发过程进行拍摄,摄像机最大拍摄帧率为20万帧/秒。

为了避免电池热失控可能造成的仪器损坏和喷发物燃烧、爆炸问题,实验团队设计了一套耐高压的密闭实验装置,对电池热失控喷发过程进行研究如图1所示

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图2.由防爆阀喷出的射流的轮廓变化过程


注:图(图2)为喷射流分别在0.26ms、0.80ms、3.20ms、16.0ms、400.0ms的灰度图像(相对时间),下图为经过滤波等处理后的轮廓图像。

能够看到喷射流一开始从防爆阀两侧流出时,外轮廓为带状,随后在上方形成上面小下面大的锥形外轮廓。

接着,随着时间的推移,喷射流外轮廓变成无定型,随后又变成上大下小的倒锥形,最后慢慢消失。

图2展示的是在400ms内喷射流的演变过程,从外轮廓的变化可以看到喷射流的波动,通过该波动可以看出喷射过程并不稳定。


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图3.相态的演变过程


图3给出了喷射流灰度图像的演变过程,灰度值的变化反映了流体性质包括相态的改变。

在喷发过程中,射流段灰度值总体上呈现出先减小后增加再减小的趋势。随着电池温度升高,电池内部压力在电解液蒸气与内部产气的共同作用下逐渐达到vent开启压力。此时,受制于电解液饱和蒸气压的限制,电池内部电解液主要存在形式为液态。

上图(图3)整个喷发过程中射流出现了气、液、固三种相态,由此可以得出,锂离子电池热失控产物喷射是一种复杂的多相的瞬态射流。

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图4.ven启动过程

vent(防爆阀)是方形电池中的重要安全结构件,了解其微观启动过程可以更好地对其进行设计。

在电池内部不断升高的压力作用下,vent先在一侧打开,另外一侧与电池还保持连接状态。从vent刚刚打开(图4a)到vent大部分打开(图4d),历经了0.4ms的时间。

在此过程中,覆盖在电池安全释放阀上方的透明防尘保护塑料薄膜已有变形,这是由于来自电池传热、热气流的加热作用。在初期喷射流的压力作用下,保护膜中心位置变形显著,呈现球型凸起,随着压力的升高和变形的加剧,保护膜完全脱离电池安全释放阀表面,并在气流的作用下与电池本体剥离(图4d)。


参考文献

李成、王贺武,张亚军,欧阳明高李伟峰。《锂离子动力电池中等荷电状态下热失控产物喷发过程研究》储能科学与技术



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