280 Ah lityum temir fosfat batareyasining termal qochib ketishi natijasida yuzaga kelgan gaz ishlab chiqarish va olov harakati bo'yicha eksperimental tadqiqot

1. Tadqiqot ma'lumotlari

Energiya taqchilligi va atrof-muhitning ifloslanishi insoniyat oldida turgan asosiy muammolar bo'lib, yangi energiyani rivojlantirish global tadqiqot markaziga aylandi. Lityum ionli batareyalar, ayniqsa lityum temir fosfat (LFP) batareyalari ishlash afzalliklari tufayli energiyani saqlash uchun afzal qilingan batareyaga aylandi. Elektrokimyoviy energiyani saqlash (EES) elektr stantsiyalari keng qo'llaniladi, ammo lityum-ion batareyalarning xavfsizligi masalalari ko'pchilikning e'tiborini tortdi. Hozirgi vaqtda yuqori quvvatli lityum temir fosfat batareyalari (280Ah) uchun gaz hosil bo'lishida va olovda termal qochib ketish (TR) harakati xavfi haqida etarli tushuncha mavjud emas. Ushbu tadqiqot tashqi isitish usuli yordamida 280AhLFP batareyalarining termal qochib ketish xususiyatlarini (issiqlik chiqarish tezligi, yonish issiqligi, batareya sirtining harorati) va gaz hosil qilish naqshlarini (gaz turi va tarkibi nisbati) o'rganib chiqdi. Termal qochqinning gaz hosil bo'lish xususiyatlari va olov makroskopik harakati tahlil qilindi va batareyaning termal qochib ketishi va turli zaryadlanish holatlarida (SOC) yong'in xavfining rivojlanish qonunlari aniqlandi. SOC ning akkumulyator termal qochib ketishining xarakterli parametrlariga ta'siri ham o'rganildi. Ushbu tadqiqot EESda 50% va 100% SOCda LFP batareyalarining TR xatti-harakatini ochib beradi, EES yong'inning oldini olish va favqulodda vaziyatlarga javob berish dizayni uchun mos yozuvlar ma'lumotlarini taqdim etadi.

2. Eksperimental sozlash

2.1 Batareya misoli

Ushbu tadqiqotda musbat elektrod materiali sifatida lityum temir fosfat (LiFePO4) va salbiy elektrod materiali sifatida grafit (C) bo'lgan 280Ah lityum-ion batareyasi ishlatilgan. Batafsil jismoniy parametrlar 1-jadvalda keltirilgan. Batareyani zaryadlash va zaryadsizlantirish uchun NEWARECT-4004-5V20A NFT qurilmasidan foydalaning. O'chirish kuchlanishi 2,5V ga yetguncha batareyani 20A oqim bilan zaryadsizlang. Batareya doimiy oqim va doimiy kuchlanish rejimi yordamida zaryadlanadi, zaryadlash oqimi 20A va o'chirish oqimlari va kuchlanish 2,8A va 3,65V. Sinovdan oldin batareyani to'liq zaryadlang (100% SOC) va keyin batareyani eksperimental talablarga muvofiq kerakli zaryad holatiga tushiring.

2.2 Tajriba apparati va usullari

2.2.1 Eksperimental o'rnatish

1-rasmda ishda ishlatiladigan eksperimental platforma, jumladan, ISO9705 standarti bo'yicha 1,8 m × 1,8 m × 2 m o'lchamlari bilan ishlab chiqarilgan yonish kamerasi va boshqa eksperimental uskunalar ko'rsatilgan. Yonish kamerasining yuqori qismida tutun chiqarish kanali mavjud. Barcha tajribalar yonish kamerasida o'tkazildi.

2.2.2 Eksperimental usullar

280Ah lityum temir fosfat (LiFePO4) batareyasining termal qochib ketishiga olib kelishi uchun isitish plitasidan foydalaning. K tipidagi termojuft yordamida batareyaning sirt haroratini o'lchang, issiqlik chiqarish tezligini o'lchash moslamasi yordamida TR jarayonida issiqlik chiqarish tezligini (HRR) o'lchang va integratsiya orqali termal qochqinning umumiy issiqlik hosil bo'lishini oling. Gaz tarkibini aniqlash uchun Fourier transform infraqizil spektrometridan (FTIR spektrometri) foydalaning va real vaqtda massa o'zgarishlarini yig'ish uchun Mettler balansidan foydalaning. Ko'p miqdorda tutun chiqarilganda, püskürtülmüş elektrolit va yonuvchi gazni yoqish uchun elektron ateşleme moslamasidan foydalaning. Termojuftlar batareyaning isitish yuzasida va orqa yuzasida taqsimlanadi (2-rasmda ko'rsatilgandek, Tf va Tb mos ravishda) va batareyaning yon tomonidagi o'lchangan harorat va xavfsizlik klapanining ochilish holatida harorat quyidagicha belgilanadi. Ts va Tup, mos ravishda. Xavfsizlik klapanidan 5 sm, 10 sm, 20 sm, 30 sm va 40 sm masofada joylashgan turli balandliklarda haroratni o'lchash uchun beshta termojuftni joylashtiring.

3. Natijalar va muhokama

3.1 TR jarayonida gaz hosil bo'lishi va olov harakati

3-rasmda ko'rsatilganidek, 100% SOCda akkumulyator TR jarayonida sezilarli darajada gaz ishlab chiqarish va alangalanishni namoyish etadi. Xavfsizlik klapan 0 soniyada ochilgandan so'ng, 1 soniyada katta miqdorda elektrolitlar purkaladi. , Yonuvchan moddalar mavjudligi sababli olov rangining o'zgarishiga olib keladi. 60 soniya va 175 soniyada batareya ichidagi ikkita yadro termal qochib ketishni boshdan kechirdi, bu ikkita qizg'in gaz ishlab chiqarish va olov püskürtme fenomenini keltirib chiqardi. Bu shuni ko'rsatadiki, gazni yoqish termal qochib ketish jarayoniga juda oz ta'sir ko'rsatsa ham, batareyaning termal qochib ketishining butun jarayoni taxminan 240 soniya davom etadi va uning xatarlari asosan kuchli gaz ishlab chiqarish va reaktiv olovda namoyon bo'ladi. Cheklangan joyda yonuvchi gazlarning alangalanishi portlashlarga olib kelishi mumkin, kuchli alangali spreylar esa atrofdagi batareyalar va atrof-muhitga jiddiy termal radiatsiya ta'siriga olib kelishi mumkin.

3.2 Batareyaning sirt haroratining termal qochib tahlili

Batareyaning sirt harorati batareyaning TR jarayonini baholashda asosiy parametrdir. 4-rasmda 50% SOC va 100% SOC sharoitida batareyaning sirt harorati o'zgarishi ko'rsatilgan. Shakl 4 (a) va (b) gaz ishlab chiqarish sharoitida harorat o'zgarishini, (c) va (d) esa yonish sharoitida harorat o'zgarishini ko'rsatadi. Kuzatish natijalari shuni ko'rsatadiki, bir xil SOC ostida, ikki sharoitda batareyaning sirt harorati o'zgarishi o'xshash tendentsiyalarga ega. Olovlar batareyaning ustida paydo bo'lsa va ma'lum bir oqim tezligiga ega bo'lsa-da, ularning radiatsiya issiqligi batareyaning yuzasiga to'g'ridan-to'g'ri ta'sir qiladi, shuning uchun gazning yonishi batareyaning sirt haroratiga ta'siri nisbatan kichikdir. 50% SOC bo'lgan batareyalar uchun 4 (a) va (c)-rasmda ko'rsatilganidek, termal qochib ketish jarayoni nisbatan sekin. Gaz ishlab chiqarish sharoitida batareyaning yon tomonidagi harorat tez o'sib boradi va 3200 soniyada termal qochqinni ishga tushiradi, eng yuqori harorat mos ravishda 434,9 daraja (old) va 307,3 daraja (orqa) ga etadi. Ateşleme sharoitida batareyaning yon tomonidagi harorat 3169 soniyada keskin oshadi, eng yuqori harorat gaz ishlab chiqarish holatidan biroz yuqoriroq. Old va orqa yuzalardagi eng yuqori haroratlar mos ravishda 475,9 daraja va 319,6 daraja. Shu bilan birga, tadqiqot akkumulyator kuchlanishidagi o'zgarishlarni ham tahlil qildi. Gaz va olov sharoitida, 50% SOC bo'lgan batareya termal qochib ketganda, uning kuchlanishi asta-sekin pasayadi, davomiyligi taxminan 400 soniya. Bu shuni ko'rsatadiki, termal qochib ketganda, 50% SOC batareyalarining ichki reaktsiya tezligi sekinroq va termal qochib ketish jarayonining davomiyligi uzoqroq bo'ladi.

Termik qochib ketish jarayonining muntazamlik xususiyatlarini qo'shimcha tahlil qilish uchun 5-rasmda haroratning ko'tarilish tezligi va vaqti, shuningdek, harorat va haroratning ko'tarilish tezligining egri chiziqlari tasvirlangan. DT/dt harorat ko'tarilish tezligini bildiradi. Batareyaning orqa tomonidagi haroratning ko'tarilish tezligiga asoslanib, haroratning ko'tarilish tezligi 0,5 ° C/s dan oshganda, batareya ichidagi reaktsiya qaytarilmas deb ta'riflanadi. 50% SOC bo'lgan batareya uchun haroratning ko'tarilish tezligi 0,5 darajadan C/s dan oshadigan vaqt 80 soniyani tashkil qiladi, 100% SOC bo'lgan batareya uchun esa bu muddat 200 soniyani tashkil qiladi. Shu bilan birga, 100% SOC batareyalarida termal qochib ketishning eng yuqori harorati ko'tarilishi 50% SOC batareyalariga qaraganda yuqori. Harorat o'zgarishi egri chizig'iga va dT/dt ga ko'ra, batareyaning termal qochib ketish jarayonini to'rt bosqichga bo'lish mumkin: birinchi bosqich - isitish holati, haroratning ko'tarilish tezligi 0.03-0,04 daraja. C/s. Batareyaning ichki harorati past va issiqlik manbai isitish plitasi orqali batareyaga o'tkaziladi. Ikkinchi bosqich - termal qochqinning boshlang'ich bosqichi, bu erda haroratning ko'tarilish tezligi asta-sekin 1 daraja C / s gacha oshadi. Batareya ichidagi SEI plyonkasi parchalana boshlaydi va elektrolit elektrolitlar bug'iga bug'lanadi, bu ichki bosimning oshishiga olib keladi va ichki reaktsiyalarni tezlashtiradi. Uchinchi bosqich - termal qochib ketish bosqichi bo'lib, bu erda ichki materiallarning tezkor reaktsiyasi katta miqdorda gaz hosil qiladi, bu tashqi tutashuv manbasi bo'lmaganda va mavjud bo'lganda katta miqdordagi yonuvchi tutunning tarqalishi sifatida namoyon bo'ladi. alangalar, u kuchli reaktiv olov sifatida namoyon bo'ladi. To'rtinchi bosqich - sovutish bosqichi. Batareya termal nazoratni yo'qotgandan so'ng, batareyaning sirt harorati 500 daraja C ga yetishi mumkin. Batareya hali ham yuqori harorat holatida bo'lganligi sababli, ma'lum darajada xavf mavjud.

3.3 Gaz hosil bo'lishi va olov haroratini tahlil qilish

6-rasmda gaz ishlab chiqarish sharoitida turli balandliklarda 50% SOC va 100% SOC batareyalarining gaz harorati o'zgarishi ko'rsatilgan. Batareyaning sirt haroratini tahlil qilib, 50% SOC batareyalarining termal qochib ketish muddati 100% SOC batareyalariga qaraganda uzoqroq degan xulosaga kelish mumkin va bu xulosa gaz harorati egri chizig'ida ham tasdiqlanishi mumkin. 50% SOC batareyasining harorati 50 darajadan yuqori bo'lgan vaqt taxminan 500 soniya davom etadi va 5 sm dagi eng yuqori gaz harorati nisbatan past, 173,2 daraja; 100% SOC batareyalarining yuqori harorat muddati qisqaroq, lekin 5 sm dagi eng yuqori gaz harorati yuqoriroq bo'lib, 325,7 darajaga etadi, bu 50% SOC batareyalaridan taxminan ikki baravar ko'p (6-rasm (b) da ko'rsatilganidek). Buning sababi shundaki, yuqori SOC bo'lgan batareyalar yanada kuchli ichki reaktsiyalarga ega, gaz hosil bo'lish tezligi tezroq va yuqori haroratli gaz va atrof-muhit o'rtasidagi konvektiv issiqlik uzatish vaqti qisqaroq. Konvektiv issiqlik uzatish ta'sirida batareyaning balandligi bo'ylab o'lchash nuqtasida harorat asta-sekin pasayadi va batareyaning xavfsizlik klapanining yaqinidagi gaz harorati nisbatan yuqori. O'lchov nuqtasi batareyaning xavfsizlik klapanidan 50 sm masofada joylashganida, 100% SOC batareyasi tomonidan ishlab chiqarilgan gaz harorati 40 daraja C ga etmaydi.

Tajriba davomida Fourier transform infraqizil spektrometri yordamida termal qochib ketish jarayonida to'rtta asosiy gaz, CO, CH4, C2H4 va CO2 o'lchandi. Aniqlanishicha, karbonat angidrid boshqa gazlarga qaraganda ancha yuqori ulush bilan termal qochib ketish vaqtida eng ko'p hosil bo'lgan, undan keyin uglerod oksidi, metan, etilen va boshqa uglevodorod gazlari. Asbob vodorod gazini o'lchashga qodir emasligi sababli uning konsentratsiyasi tahlil qilinmadi. Bundan tashqari, 6-rasm (d) dagi ushbu to'rtta gazning nisbati tahliliga ko'ra, karbonat angidrid 51,2% va uglerod oksidi 22,9% ni tashkil qiladi. Biroq, termal qochib ketish jarayonida hosil bo'lgan katta miqdordagi vodorod gazini hisobga olsak, 6-rasmda (d) ko'rsatilgan karbonat angidridning nisbati barcha gaz tarkibiy qismlarining nisbati emas. Hosil bo'lgan gazning yuqori yonuvchanligi tufayli TR xavfi katta. Shu sababli, toza gaz sharoitida termal qochib ketish harakati asosan toksiklik, bo'g'ilish va yonish xavfini keltirib chiqaradi.

Energiyani saqlash akkumulyatorlarining haqiqiy stsenariysida yong'inlar ko'pincha batareyaning issiqlik TR ga tegib ketganidan keyin sodir bo'ladi, shuning uchun ateşleme ishi akkumulyatorning xavfsizlik valfi ochilgandan so'ng amalga oshirilishi kerak va yonishdan keyin gaz harorati tahlil qilinishi kerak. 7-rasmda ko'rsatilganidek, turli balandliklarda olov haroratini o'lchash uchun akkumulyator ustidagi beshta haroratni o'lchash nuqtasi vertikal ravishda joylashtirilgan. Xavfsizlik valfi ochilgandan so'ng, kontaktni darhol ishga tushiradi va har bir o'lchash nuqtasida harorat keskin ko'tariladi. Batareya ichidagi termal qochqin tufayli katta miqdorda gaz hosil bo'ladi va xavfsizlik klapanining ustida kuchli reaktiv yong'in paydo bo'ladi. Harorat egri chizig'idan ko'rinib turibdiki, eng yuqori harorat dastlab 10 sm balandlikda sodir bo'ladi va 5 sm va 20 sm balandlikdagi haroratlar deyarli bir xil. Termal qochishning keyingi bosqichida olov asta-sekin kamayadi va eng yuqori harorat 5 sm balandlikda, olov o'chguncha gazning barqaror yonishi bilan sodir bo'ladi. Gaz ishlab chiqarish sharoitidagi harorat bilan solishtirganda, 7 (b)-rasmda ko'rsatilganidek, olov paydo bo'lgandan keyin batareyaning ustidagi harorat sezilarli darajada oshadi. Batareya ustidagi olovning eng yuqori harorati 50% SOCda taxminan 750 ° C ga yetishi mumkin va batareyaning 100% SOC da harorati undan ham yuqori, eng yuqori harorat 900 ° C dan yuqori (7-rasmga qarang (b). ).

3.4 Sifatni yo'qotish tahlili

8-rasmda gaz ishlab chiqarish sharoitida termal qochib ketish vaqtida 50% SOC va 100% SOC batareyalarining sifat yo'qotilishi va sifat yo'qotish darajasi ko'rsatilgan. Sifatning tez pasayishidan oldin, ikkala turdagi SOC batareyalari ham sifat pasayishining sekin bosqichini boshdan kechirgan va taxminan 100-200g yo'qotilgan. Ushbu sekin tushish jarayoni batareyaning xavfsizlik klapanining dizayni bilan bog'liq. Batareyaning ichki bosimi ma'lum darajaga yetganda, xavfsizlik valfi bosimni biroz bo'shatadi. Xavfsizlik klapanining to'liq ochilishi tufayli, bu jarayonda sifatni yo'qotish tezligi nisbatan sekin. Batareya ichidagi gaz ko'tarilgach, ichki bosim asta-sekin ko'tariladi. Ichki bosim xavfsizlik klapanining bosim chegarasiga yetganda, xavfsizlik klapani yorilib, ko'p miqdorda gaz va elektrolitlar purkashga olib keladi, natijada 8-rasmda ko'rsatilganidek, massa chiziqli pasayadi. Ushbu jarayon davomida sifat yo'qotish tezligi taxminan 110 g / s ni tashkil qiladi.

Batareya ichidagi bir nechta yadrolar termal qochib ketish paytida sifatni yo'qotish tezligining bir nechta cho'qqilariga olib keldi. 50% SOC batareyalarining ichki reaktsiyasi sekin, mos ravishda 2,3 g/s va 1,25 g/s ning ikkita kichik cho'qqisiga to'g'ri keladi. Nisbatan yuqori sig'imi tufayli 100% SOC batareyalari 8-rasmda ko'rsatilganidek, 12,9 g / s va 15,25 g / s ni tashkil etadigan ikkita eng yuqori massa yo'qotish tezligiga ega bo'lgan qattiq termal qochib ketish jarayonlarini boshdan kechiradi. Bundan tashqari, 100% SOC batareyalari uchun termal qochqin gaz ishlab chiqarish jarayonida massa yo'qotish tezligida ikkita kichikroq cho'qqi bor edi.

9-rasmda olov sharoitida termal qochib ketish jarayonida massa o'zgarishi va massa yo'qotish tezligi ko'rsatilgan. Termal qochib ketish jarayoni odatda gaz ishlab chiqarish sharoitida bo'lgani kabi bir xil, ammo xavfsizlik valfi ochilganda, massa yo'qotish darajasi nisbatan past bo'ladi. 50% SOC va 100% SOC ga mos keladigan massa yo'qotish darajasi mos ravishda 69,9 g / s va 92,9 g / s ni tashkil qiladi. Buning sababi shundaki, ateşleme operatsiyasi xavfsizlik klapan ochilganda amalga oshiriladi va ba'zi elektrolitlar va gazlar to'liq purkalmaydi, balki bu vaqtda butunlay yondiriladi. Massa yo'qotish darajasi past bo'lsa-da, u termal qochib ketishning ikkita eng yuqori qiymatidan ancha oshib ketadi (50% SOC olovining ikkita eng yuqori qiymati 2,05 g / s va 1,2 g / s va 100% SOC ning ikkita eng yuqori qiymati: 8,05 g/s va 9,95 g/s, ikkalasi ham gaz ishlab chiqarish sharoitida massa yo'qotish tezligidan past). Ikki sharoitda umumiy massa yo'qotilishini taqqoslab, olov sharoitida massa yo'qotilishi gaz ishlab chiqarish sharoitidan ko'ra kattaroq degan xulosaga kelish mumkin.

3.5. Issiqlik chiqarish tezligini tahlil qilish

Batareya xavfsizlik valfi ochilgandan so'ng, ateşleme amalga oshiriladi. Kislorod iste'moli nazariyasiga ko'ra, termal qochib ketgan yonish ostida batareyaning issiqlik chiqarish tezligi 10-rasmda ko'rsatilganidek o'lchanadi. 50% SOC batareyasi uchun olovdan keyin issiqlik chiqarish tezligining birinchi cho'qqisi 57,107 kVtni tashkil qiladi. Tajriba davomida issiqlik chiqarish tezligini integratsiyalashganda, yonish natijasida hosil bo'lgan umumiy issiqlik 20,79 MJ hosil bo'ladi. Olovdan keyin 100% SOC batareyasining issiqlik chiqarishning birinchi eng yuqori tezligi 62,485 kVtni tashkil qiladi. Yuqori gaz ishlab chiqarish tezligi tufayli, termal qochib ketishning eng kuchli momentida issiqlikning eng yuqori chiqish tezligi 85,667 kVt ga etadi, bu 10-rasmda (b) ko'rsatilganidek, 50% SOC batareyasining issiqlik chiqarish tezligidan ancha yuqori. Barcha eksperimental issiqlik chiqarish tezligini birlashtirgandan so'ng, yonish natijasida hosil bo'lgan umumiy issiqlik 25,97 MJ ni tashkil qiladi. 50% SOC batareyalarining termal qochib ketish muddati va olov davomiyligi uzoqroq bo'lsa-da, ularning umumiy yonish issiqligi 100% SOC batareyalaridan atigi 5,18 MJ kamroq.

4. Xulosa

(1) SOC ning batareyalarning sirt haroratiga ta'siri olovdan ko'ra kattaroqdir. Gaz va olov sharoitida, termal qochib ketish vaqtida 100% SOC batareyasining eng yuqori sirt harorati 50% SOC batareyasidan yuqori bo'lsa, xuddi shu SOCda gaz va olov sharoitida batareyaning sirt harorati deyarli bir xil.

(2) Olov harorati gaz ishlab chiqarish haroratidan ancha yuqori. 100% SOC batareyalarining termal qochib ketishi natijasida hosil bo'lgan gaz harorati 325,7 darajaga yetishi mumkin, eng yuqori olov harorati esa 900 darajadan oshishi mumkin. Gaz yoqilgandan so'ng, u batareyaning ustidagi va atrofidagi muhitga sezilarli ta'sir ko'rsatadi, asosan aks ettirilgan. yuqori haroratli olovning atrof-muhitga radiatsiya ta'siri. Yong'inning tashqi manbai bo'lmaganida, ko'p miqdorda gaz to'planishi zaharlanish, bo'g'ilish va portlash xavfini keltirib chiqarishi mumkin.

(3) 50% SOC va 100% SOC batareyalari uchun gaz ishlab chiqarish sharoitida eng yuqori massa yo'qotish darajasi olov sharoitidagidan kattaroqdir va batareyaning ichki tuzilishi va termal qochib ketish jarayoni eng yuqori massa yo'qotish tezligi asosida aniqlanadi. . 100% SOC batareyalarining termal qochib ketganidan keyin issiqlik chiqarishning eng yuqori darajasi nisbatan yuqori, ammo 50% SOC batareyalarining termal qochib ketish muddati uzoqroq va olov uzoqroq vaqt davomida mavjud. 50% SOC va 100% SOC batareyalarining yonishi natijasida chiqarilgan umumiy issiqlik faqat 5,18 MJ farq qiladi.