Kajian Eksperimen Mengenai Pengeluaran Gas Dan Kelakuan Nyalaan Yang Disebabkan Oleh Larian Terma Bateri Litium Besi Fosfat 280 Ah

1. Latar belakang kajian

Kekurangan tenaga dan pencemaran alam sekitar adalah masalah utama yang dihadapi manusia, dan pembangunan tenaga baharu telah menjadi tumpuan penyelidikan global. Bateri litium ion, terutamanya bateri litium besi fosfat (LFP), telah menjadi bateri pilihan untuk penyimpanan tenaga kerana kelebihan prestasinya. Loji kuasa simpanan tenaga elektrokimia (EES) digunakan secara meluas, tetapi isu keselamatan bateri litium-ion telah menarik perhatian ramai. Pada masa ini, terdapat pemahaman yang tidak mencukupi tentang bahaya tingkah laku larian haba (TR) dalam penjanaan gas dan nyalaan untuk bateri litium besi fosfat berkapasiti tinggi (280Ah). Kajian ini menyiasat ciri pelarian haba (kadar pelepasan haba, haba pembakaran, suhu permukaan bateri) dan corak penjanaan gas (jenis gas dan nisbah komposisi) bateri 280AhLFP menggunakan kaedah pemanasan luaran. Ciri penjanaan gas dan kelakuan makroskopik nyalaan pelarian haba telah dianalisis, dan undang-undang evolusi pelarian haba bateri dan risiko kebakaran di bawah keadaan cas (SOC) yang berbeza telah dijelaskan. Pengaruh SOC pada parameter ciri pelarian haba bateri juga diterokai. Kajian ini mendedahkan tingkah laku TR bateri LFP dalam EES pada 50% dan 100% SOC, menyediakan data rujukan untuk pencegahan kebakaran EES dan reka bentuk tindak balas kecemasan.

2. Persediaan eksperimen

2.1 Contoh Bateri

Kajian ini menggunakan bateri litium-ion 280Ah dengan litium besi fosfat (LiFePO4) sebagai bahan elektrod positif dan grafit (C) sebagai bahan elektrod negatif. Parameter fizikal terperinci ditunjukkan dalam Jadual 1. Gunakan peranti NEWARECT-4004-5V20A NFT untuk mengecas dan menyahcas bateri. Nyahcas bateri dengan arus 20A sehingga voltan pemotongan mencapai 2.5V. Bateri dicas menggunakan mod arus malar dan voltan malar, dengan arus pengecasan 20A dan arus potong dan voltan 2.8A dan 3.65V. Sebelum ujian, cas sepenuhnya bateri (100% SOC), dan kemudian nyahcas bateri ke keadaan cas yang dikehendaki mengikut keperluan percubaan.

2.2 Alat dan kaedah eksperimen

2.2.1 Persediaan eksperimen

Rajah 1 menunjukkan platform eksperimen yang digunakan dalam kerja, termasuk kebuk pembakaran yang dihasilkan mengikut piawaian ISO9705 dengan dimensi 1.8m × 1.8m × 2m dan peralatan eksperimen lain. Terdapat saluran ekzos asap di bahagian atas kebuk pembakaran. Semua eksperimen dijalankan di dalam kebuk pembakaran.

2.2.2 Kaedah Eksperimen

Gunakan plat pemanas untuk menyebabkan pelepasan haba bateri litium besi fosfat (LiFePO4) 280Ah. Ukur suhu permukaan bateri menggunakan termokopel jenis K, ukur kadar pelepasan haba (HRR) semasa proses TR menggunakan alat pengukur kadar pelepasan haba, dan dapatkan jumlah penjanaan haba pelarian haba melalui penyepaduan. Gunakan spektrometer inframerah transformasi Fourier (spektrometer FTIR) untuk mengesan komposisi gas dan gunakan keseimbangan Mettler untuk mengumpul perubahan jisim masa nyata. Apabila sejumlah besar asap dikeluarkan, gunakan alat penyalaan elektronik untuk menyalakan elektrolit yang disembur dan gas mudah terbakar. Termokopel diedarkan pada permukaan pemanasan dan permukaan belakang bateri (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2, Tf dan Tb masing-masing), dan suhu yang diukur pada sisi bateri dan suhu pada kedudukan pembukaan injap keselamatan ditandakan sebagai Ts dan Tup, masing-masing. Letakkan lima termokopel untuk mengukur suhu di atas injap keselamatan pada ketinggian yang berbeza, iaitu 5cm, 10cm, 20cm, 30cm dan 40cm dari injap keselamatan.

3. Keputusan dan Perbincangan

3.1 Pengeluaran gas dan kelakuan nyalaan semasa proses TR

Pada 100% SOC, bateri mempamerkan pengeluaran gas dan gelagat nyalaan yang ketara semasa proses TR, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3. Selepas injap keselamatan dibuka pada 0 saat, sejumlah besar elektrolit menyembur keluar pada 1 saat , menyebabkan perubahan warna nyalaan kerana kehadiran bahan mudah terbakar. Pada 60 saat dan 175 saat, dua teras di dalam bateri mengalami pelarian haba, menyebabkan dua pengeluaran gas yang sengit dan fenomena penyemburan nyalaan. Ini menunjukkan bahawa walaupun penyalaan gas mempunyai sedikit kesan ke atas proses pelarian haba, keseluruhan proses pelarian haba bateri berlangsung kira-kira 240 saat, dan risikonya terutamanya nyata dalam pengeluaran gas yang teruk dan nyalaan jet. Dalam ruang terkurung, penyalaan gas mudah terbakar boleh menyebabkan letupan, manakala semburan api yang kuat boleh menyebabkan kesan sinaran haba yang serius pada bateri sekeliling dan alam sekitar.

3.2 Analisis larian haba suhu permukaan bateri

Suhu permukaan bateri adalah parameter utama dalam menilai proses TR bateri. Rajah 4 menunjukkan perubahan suhu permukaan bateri di bawah 50% SOC dan 100% SOC keadaan. Rajah 4 (a) dan (b) menggambarkan perubahan suhu di bawah keadaan pengeluaran gas, manakala (c) dan (d) menunjukkan perubahan suhu di bawah keadaan penyalaan. Keputusan pemerhatian menunjukkan bahawa di bawah SOC yang sama, perubahan suhu permukaan bateri di bawah kedua-dua keadaan mempunyai trend yang sama. Walaupun nyalaan muncul di atas bateri dan mempunyai halaju jet tertentu, haba terpancarnya mempunyai kesan langsung yang terhad pada permukaan bateri, jadi kesan pembakaran gas pada suhu permukaan bateri adalah agak kecil. Bagi bateri dengan 50% SOC, proses pelarian haba adalah agak perlahan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4 (a) dan (c). Di bawah keadaan pengeluaran gas, suhu di bahagian tepi bateri meningkat dengan cepat dan mencetuskan pelarian haba pada 3200 saat, dengan suhu tertinggi masing-masing mencapai 434.9 darjah C (depan) dan 307.3 darjah C (belakang). Di bawah keadaan penyalaan, suhu di bahagian tepi bateri meningkat secara mendadak pada 3169 saat, dengan suhu tertinggi sedikit lebih tinggi daripada keadaan pengeluaran gas. Suhu tertinggi pada permukaan hadapan dan belakang ialah 475.9 darjah C dan 319.6 darjah C, masing-masing. Sementara itu, kajian juga menganalisis perubahan voltan bateri. Di bawah keadaan gas dan nyalaan, apabila bateri dengan 50% SOC mengalami larian haba, voltannya akan berkurangan secara perlahan, dengan tempoh kira-kira 400 saat. Ini menunjukkan bahawa semasa pelarian haba, kadar tindak balas dalaman 50% bateri SOC adalah lebih perlahan dan tempoh proses pelarian haba lebih lama.

Untuk menganalisis lebih lanjut ciri-ciri keteraturan proses pelarian haba, Rajah 5 menggambarkan lengkung kadar kenaikan suhu dan masa, serta kadar kenaikan suhu dan suhu. DT/dt mewakili kadar kenaikan suhu. Berdasarkan kadar kenaikan suhu pada bahagian belakang bateri, apabila kadar kenaikan suhu melebihi 0.5 darjah C/s, tindak balas di dalam bateri ditakrifkan sebagai tidak dapat dipulihkan. Untuk bateri dengan 50% SOC, tempoh kadar kenaikan suhu melebihi 0.5 darjah C/s ialah 80 saat, manakala untuk bateri dengan 100% SOC, tempoh ini ialah 200 saat. Sementara itu, kadar kenaikan suhu puncak pelarian haba dalam 100% bateri SOC juga lebih tinggi daripada 50% bateri SOC. Mengikut lengkung perubahan suhu dan dT/dt, proses pelarian haba bateri boleh dibahagikan kepada empat peringkat: peringkat pertama ialah keadaan pemanasan, dengan kadar kenaikan suhu dikekalkan pada 0.03-0.04 darjah C/s. Suhu dalaman bateri adalah rendah, dan sumber haba dipindahkan ke bateri melalui plat pemanas. Peringkat kedua ialah peringkat awal pelarian haba, di mana kadar kenaikan suhu secara beransur-ansur meningkat kepada 1 darjah C/s. Filem SEI di dalam bateri mula terurai, dan elektrolit menyejat menjadi wap elektrolit, menyebabkan peningkatan tekanan dalaman dan mempercepatkan tindak balas dalaman. Peringkat ketiga ialah peringkat pelarian haba, di mana tindak balas pantas bahan dalaman menghasilkan sejumlah besar gas, yang ditunjukkan sebagai penyebaran sejumlah besar asap mudah terbakar tanpa adanya sumber pencucuhan luaran, dan dengan kehadiran api, ia dimanifestasikan sebagai nyalaan jet yang kuat. Peringkat keempat ialah peringkat penyejukan. Selepas bateri kehilangan kawalan haba, suhu permukaan bateri boleh mencapai 500 darjah C. Oleh kerana bateri masih dalam keadaan suhu tinggi, masih terdapat tahap bahaya tertentu.

3.3 Penjanaan Gas dan Analisis Suhu Nyalaan

Rajah 6 menunjukkan perubahan suhu gas 50% SOC dan 100% bateri SOC pada ketinggian yang berbeza di bawah keadaan penjanaan gas. Dengan menganalisis suhu permukaan bateri, dapat disimpulkan bahawa tempoh pelarian haba 50% bateri SOC adalah lebih lama daripada bateri 100% SOC, dan kesimpulan ini juga boleh disahkan dalam lengkung suhu gas. Masa apabila suhu bateri SOC 50% melebihi 50 darjah C berlangsung selama kira-kira 500 saat, dan suhu gas tertinggi pada 5cm adalah agak rendah, pada 173.2 darjah C; Tempoh suhu tinggi bagi 100% bateri SOC adalah lebih pendek, tetapi suhu gas tertinggi pada 5cm lebih tinggi, mencapai 325.7 darjah C, iaitu kira-kira dua kali ganda daripada bateri 50% SOC (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6 (b)). Sebabnya ialah bateri dengan SOC yang lebih tinggi mempunyai tindak balas dalaman yang lebih sengit, kadar penjanaan gas yang lebih cepat, dan masa pemindahan haba perolakan yang lebih pendek antara gas suhu tinggi dan persekitaran sekeliling. Di bawah tindakan pemindahan haba perolakan, suhu pada titik pengukuran di sepanjang ketinggian bateri secara beransur-ansur berkurangan, dan suhu gas berhampiran injap keselamatan bateri agak tinggi. Apabila titik pengukuran adalah 50cm dari injap keselamatan bateri, suhu gas yang dihasilkan oleh bateri SOC 100% tidak mencapai 40 darjah C.

Semasa eksperimen, empat gas utama, CO, CH4, C2H4, dan CO2, telah diukur semasa proses pelarian haba menggunakan spektrometer inframerah transformasi Fourier. Didapati bahawa karbon dioksida dihasilkan paling banyak semasa pelarian haba, dengan perkadaran yang lebih tinggi daripada gas lain, diikuti oleh karbon monoksida, metana, etilena, dan gas hidrokarbon lain. Oleh kerana ketidakupayaan instrumen untuk mengukur gas hidrogen, kepekatannya tidak dianalisis. Di samping itu, menurut analisis perkadaran empat gas ini dalam Rajah 6 (d), karbon dioksida menyumbang 51.2% dan karbon monoksida menyumbang 22.9%. Walau bagaimanapun, mengambil kira jumlah besar gas hidrogen yang dihasilkan semasa proses pelarian haba, bahagian karbon dioksida yang ditunjukkan dalam Rajah 6 (d) bukanlah bahagian semua komponen gas. Disebabkan kemudahbakaran tinggi gas yang dihasilkan, risiko TR lebih besar. Oleh itu, di bawah keadaan gas tulen, tingkah laku lari haba terutamanya membawa risiko ketoksikan, sesak nafas dan pembakaran.

Dalam senario sebenar bateri simpanan tenaga, kebakaran sering berlaku selepas bateri menyentuh haba TR, jadi operasi pencucuhan hendaklah dijalankan selepas injap keselamatan bateri dibuka, dan suhu gas selepas pencucuhan hendaklah dianalisis. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7, lima titik pengukuran suhu disusun secara menegak di atas bateri untuk mengukur suhu nyalaan pada ketinggian yang berbeza. Selepas injap keselamatan dibuka, penyalaan segera dimulakan, dan suhu pada setiap titik pengukur meningkat dengan mendadak. Disebabkan pelarian haba di dalam bateri, sejumlah besar gas terhasil, dan api jet ganas muncul di atas injap keselamatan. Dari lengkung suhu, dapat dilihat bahawa suhu tertinggi pada mulanya berlaku pada ketinggian 10cm, dan suhu pada ketinggian 5cm dan 20cm adalah hampir sama. Pada peringkat akhir pelarian haba, nyalaan beransur-ansur berkurangan, dan suhu tertinggi berlaku pada ketinggian 5cm, dengan pembakaran gas yang stabil sehingga nyalaan padam. Berbanding dengan suhu di bawah keadaan pengeluaran gas, suhu di atas bateri meningkat dengan ketara selepas nyalaan muncul, seperti ditunjukkan dalam Rajah 7 (b). Suhu nyalaan tertinggi di atas bateri pada 50% SOC boleh mencapai kira-kira 750 darjah C, dan suhu bateri pada 100% SOC adalah lebih tinggi, dengan suhu puncak melebihi 900 darjah C (lihat Rajah 7 (b) ).

3.4 Analisis Kehilangan Kualiti

Rajah 8 menunjukkan kehilangan kualiti dan kadar kehilangan kualiti 50% SOC dan 100% bateri SOC semasa pelarian haba di bawah keadaan pengeluaran gas. Sebelum kemerosotan pesat dalam kualiti, kedua-dua jenis bateri SOC mengalami fasa penurunan kualiti yang perlahan, dengan kehilangan kira-kira 100-200g. Proses penurunan perlahan ini berkaitan dengan reka bentuk injap keselamatan bateri. Apabila tekanan dalaman bateri mencapai tahap tertentu, injap keselamatan akan melepaskan sedikit tekanan. Oleh kerana injap keselamatan dibuka sepenuhnya, kadar kehilangan kualiti semasa proses ini agak perlahan. Apabila gas di dalam bateri meningkat, tekanan dalaman secara beransur-ansur meningkat. Apabila tekanan dalaman mencapai had tekanan injap keselamatan, injap keselamatan pecah, menyebabkan sejumlah besar gas dan elektrolit tersembur keluar, mengakibatkan penurunan linear dalam jisim, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 8. Semasa proses ini, kualiti kadar kehilangan adalah lebih kurang 110g/s.

Berbilang teras di dalam bateri menyebabkan beberapa puncak dalam kadar kehilangan kualiti semasa pelarian haba. Tindak balas dalaman 50% bateri SOC adalah perlahan, sepadan dengan dua puncak yang lebih kecil iaitu 2.3g/s dan 1.25g/s, masing-masing. Disebabkan kapasitinya yang agak tinggi, bateri SOC 100% mengalami proses pelarian haba yang lebih teruk, dengan dua kadar kehilangan jisim puncak masing-masing 12.9g/s dan 15.25g/s, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 8 (b). Di samping itu, untuk bateri SOC 100%, terdapat dua puncak yang lebih kecil dalam kadar kehilangan jisim semasa proses penjanaan gas lari terma.

Rajah 9 menunjukkan perubahan jisim dan kadar kehilangan jisim semasa proses larian haba di bawah keadaan nyalaan. Proses pelarian haba secara amnya sama seperti dalam keadaan penjanaan gas, tetapi apabila injap keselamatan dibuka, kadar kehilangan jisim adalah agak rendah. Kadar kehilangan jisim sepadan dengan 50% SOC dan 100% SOC masing-masing ialah 69.9g/s dan 92.9g/s. Sebabnya ialah operasi penyalaan dijalankan apabila injap keselamatan dibuka, dan beberapa elektrolit dan gas tidak disembur sepenuhnya, tetapi terbakar sepenuhnya pada masa ini. Walaupun kadar kehilangan jisim adalah rendah, ia masih jauh melebihi dua nilai puncak pelarian haba (dua nilai puncak 50% nyalaan SOC ialah 2.05g/s dan 1.2g/s, dan dua nilai puncak 100% SOC ialah 8.05g/s dan 9.95g/s, kedua-duanya lebih rendah daripada kadar kehilangan jisim dalam keadaan pengeluaran gas). Dengan membandingkan jumlah kehilangan jisim di bawah dua keadaan, boleh disimpulkan bahawa kehilangan jisim di bawah keadaan nyalaan adalah lebih besar daripada di bawah keadaan pengeluaran gas.

3.5. Analisis Kadar Pembebasan Haba

Selepas injap keselamatan bateri dibuka, pencucuhan dijalankan. Menurut teori penggunaan oksigen, kadar pelepasan haba bateri di bawah pembakaran lari terma diukur seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 10. Untuk bateri SOC 50%, puncak pertama kadar pelepasan haba selepas pencucuhan ialah 57.107 kW. Mengintegrasikan kadar pelepasan haba semasa eksperimen menghasilkan jumlah haba yang dihasilkan oleh pembakaran 20.79 MJ. Kadar pelepasan haba puncak pertama bagi bateri SOC 100% selepas pencucuhan ialah 62.485 kW. Disebabkan kadar pengeluaran gasnya yang tinggi, kadar pelepasan haba puncak pada saat terkuat pelarian haba mencapai 85.667 kW, yang jauh lebih tinggi daripada kadar pelepasan haba bateri SOC 50% seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 10 (b). Selepas menyepadukan keseluruhan kadar pelepasan haba eksperimen, jumlah haba yang dihasilkan oleh pembakaran ialah 25.97 MJ. Walaupun tempoh pelarian haba dan tempoh nyalaan 50% bateri SOC adalah lebih lama, jumlah haba pembakarannya hanya 5.18MJ kurang daripada bateri 100% SOC.

4. Kesimpulan

(1) Kesan SOC pada suhu permukaan bateri adalah lebih besar daripada nyalaan. Di bawah keadaan gas dan nyalaan, suhu permukaan tertinggi bateri SOC 100% semasa pelarian haba adalah lebih besar daripada bateri SOC 50%, manakala pada SOC yang sama, suhu permukaan bateri di bawah keadaan gas dan nyalaan hampir sama. sama.

(2) Suhu nyalaan adalah lebih tinggi daripada suhu pengeluaran gas. Suhu gas yang dijana oleh pelarian haba 100% bateri SOC boleh mencapai 325.7 darjah C, manakala suhu nyalaan puncak boleh melebihi 900 darjah C. Selepas penyalaan gas, ia mempunyai kesan yang ketara ke atas persekitaran di atas dan di sekeliling bateri, terutamanya dicerminkan dalam kesan sinaran nyalaan suhu tinggi terhadap alam sekitar. Sekiranya tiada sumber api luaran, pengumpulan sejumlah besar gas boleh menimbulkan risiko keracunan, lemas dan letupan.

(3) Untuk bateri 50% SOC dan 100% SOC, kadar kehilangan jisim puncak di bawah keadaan pengeluaran gas adalah lebih besar daripada di bawah keadaan nyalaan, dan struktur dalaman dan proses pelarian haba bateri ditentukan berdasarkan kadar kehilangan jisim puncak. . Kadar pelepasan haba puncak 100% bateri SOC selepas pembakaran larian haba adalah agak tinggi, tetapi tempoh larian haba bagi 50% bateri SOC adalah lebih lama dan nyalaan wujud untuk masa yang lebih lama. Jumlah haba yang dikeluarkan oleh pembakaran 50% SOC dan 100% bateri SOC hanya berbeza 5.18 MJ.