低气压环境下卷绕及叠片型锂电池热失控特性研究

来源 :中国民用航空飞行学院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zldzhang
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近年来,随着电动化的快速推进,航空运输锂电池数量迎来了急增,再加上由锂电池自燃引起的热灾害不安全事件频发,对航空飞行安全、人们生命和财产构成了极大的威胁。因此,本文就一般高原低气压环境(90 k Pa和70 k Pa)和航空运输低气压环境(50k Pa和30 k Pa)两种使用场景,结合FRC-2000动压变温舱和Ttech-ISO9705烟气分析仪实验平台,对两种不同工艺(卷绕型和叠片型)软包三元锂离子电池开展高温诱导热失控实验。实时采集电池热失控时的“火-热-烟-电”特征参数,结合电池外部形貌、质量和正极材料内部结构变化,来探究低气压环境对锂离子电池热失控行为的影响和差异。(1)在不同低气压环境下,卷绕型和叠片型锂电池的热失控行为具有相似趋势,均会出现受热膨胀、铝塑膜提前破裂、燃爆和稳定射流火焰等行为。两种类型电池的热失控触发时刻TTR,均随大气压力的降低逐渐延后,卷绕型电池在30 k Pa时为1047 s比90k Pa时的856 s延后了191 s,叠片型电池延后了150 s;但叠片型电池的热失控触发时刻均早于卷绕型电池,在30 k Pa时差值最大为216 s。(2)卷绕型和叠片型电池热失控时的池体温度、射流火焰温度、热释放速率、总释热量和燃烧增长速率指数(FIGRA)均随环境气压的降低,不同程度的表现出下降趋势,但卷绕型电池整体的热特性表征均强于叠片型电池。燃烧增长速率指数,在90 k Pa时卷绕型(15.405 W·s-1)比叠片型(10.889 W·s-1)高出了6.430 W·s-1。(3)卷绕型和叠片型电池释放有毒气体CO随环境气压的降低而逐渐升高,有毒气体NO则相反,但CO释放量远大于NO,结果表明环境压力越低热解烟气毒危害性越大。无毒气体CO2和部分CxHy的释放量均随环境气压的降低而逐渐下降,最大峰值均出现在90 k Pa,卷绕电池为1.5290%、2624.67 ppm,叠片为1.2611%、2038.69 ppm。(4)卷绕型和叠片型电池的电压降时刻均早于热失控触发时刻。卷绕型电池在出现电压降到温度骤升之间的时间差(35)t与环境气压呈负相关,90 k Pa时为70 s,而30 k Pa时延长到了147 s;叠片型电池差异不大,90 k Pa时为35 s,而30 k Pa时为46 s。(5)卷绕型电池热失控后的变形膨胀程度在90 k Pa和70 k Pa较大,叠片型则表现相反,而碳化程度前者明显大于后者。平均质量损失(率)两者表现出相反的变化趋势,前者随气压降低而减小,最大值为64.3 g(28.73%),后者则增加,最大值为58.5 g(29.08%)。(6)两种锂离子电池正极材料的XRD射线衍射峰强度均随气压的升高逐渐增强,空间结构均不同程度的转变为无序的Li Mn2O4和Mn O2尖晶石结构,可见高气压环境下正极材料结构塌陷越严重,稳定性越差,致使热失控强度更大。
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