Eksperimentinis dujų gamybos ir liepsnos veikimo, kurį sukelia terminis 280 Ah ličio geležies fosfato akumuliatoriaus išsiliejimas, tyrimas

1. Tyrimo pagrindas

Energijos trūkumas ir aplinkos tarša yra pagrindinės žmonijos problemos, o naujos energijos kūrimas tapo pasauliniu mokslinių tyrimų centru. Ličio jonų baterijos, ypač ličio geležies fosfato (LFP) baterijos, tapo pageidaujamomis energijos kaupimo baterijomis dėl savo našumo pranašumų. Elektrocheminės energijos kaupimo (EES) jėgainės yra plačiai naudojamos, tačiau ličio jonų akumuliatorių saugos klausimai sulaukė daug dėmesio. Šiuo metu nepakanka supratimo apie didelės talpos ličio geležies fosfato baterijų (280 Ah) šiluminio bėgimo (TR) pavojų generuojant dujas ir liepsnas. Šiame tyrime buvo ištirtos 280AhLFP baterijų šiluminės pabėgimo charakteristikos (šilumos išsiskyrimo greitis, degimo šiluma, akumuliatoriaus paviršiaus temperatūra) ir dujų susidarymo modeliai (dujų tipo ir sudėties santykis) naudojant išorinį šildymo metodą. Buvo išanalizuoti dujų susidarymo charakteristikos ir liepsnos makroskopinis šiluminio pabėgimo elgesys, išaiškinti akumuliatoriaus šiluminio pabėgimo ir gaisro rizikos raidos dėsniai esant skirtingoms įkrovimo būsenoms (SOC). Taip pat buvo ištirta SOC įtaka būdingiems akumuliatoriaus šiluminio bėgimo parametrams. Šis tyrimas atskleidžia LFP baterijų TR elgseną EES esant 50% ir 100% SOC, pateikiant pamatinius duomenis apie EES gaisrų prevenciją ir reagavimo į avarijas projektą.

2. Eksperimentinė sąranka

2.1 Akumuliatoriaus pavyzdys

Šiame tyrime buvo naudojama 280 Ah ličio jonų baterija su ličio geležies fosfatu (LiFePO4) kaip teigiamo elektrodo medžiaga ir grafitu (C) kaip neigiama elektrodo medžiaga. Išsamūs fiziniai parametrai pateikti 1 lentelėje. Baterijai įkrauti ir iškrauti naudokite NEWARECT-4004-5V20A NFT įrenginį. Iškraukite akumuliatorių 20A srove, kol išjungimo įtampa pasieks 2,5 V. Akumuliatorius įkraunamas naudojant pastovios srovės ir pastovios įtampos režimą, kai įkrovimo srovė yra 20A, o išjungimo srovės ir įtampa - 2,8A ir 3,65V. Prieš bandymą visiškai įkraukite akumuliatorių (100 % SOC), tada iškraukite akumuliatorių iki norimos įkrovos būsenos pagal eksperimentinius reikalavimus.

2.2 Eksperimento aparatūra ir metodai

2.2.1 Eksperimentinė sąranka

1 paveiksle parodyta darbe naudojama eksperimentinė platforma, įskaitant pagal ISO9705 standartą pagamintą degimo kamerą, kurios matmenys 1,8m × 1,8m × 2m, ir kitą eksperimentinę įrangą. Viršutinėje degimo kameros pusėje yra dūmų šalinimo kanalas. Visi eksperimentai buvo atlikti degimo kameroje.

2.2.2 Eksperimentiniai metodai

Naudokite kaitinimo plokštę, kad sukeltumėte 280 Ah ličio geležies fosfato (LiFePO4) akumuliatoriaus terminį nutekėjimą. Išmatuokite baterijos paviršiaus temperatūrą naudodami K tipo termoporą, išmatuokite šilumos išsiskyrimo greitį (HRR) TR proceso metu, naudodami šilumos išsiskyrimo greičio matavimo prietaisą, ir gaukite bendrą šilumos generavimą, susidariusį šiluminiam bėgimui integruojant. Naudokite Furjė transformacijos infraraudonųjų spindulių spektrometrą (FTIR spektrometrą), kad nustatytumėte dujų sudėtį, o naudokite Mettler balansą, kad gautumėte realiojo laiko masės pokyčius. Kai išsiskiria daug dūmų, naudokite elektroninį uždegimo įtaisą, kad padegtumėte išpurkštą elektrolitą ir degiąsias dujas. Termoporos yra paskirstytos ant akumuliatoriaus šildymo paviršiaus ir galinio paviršiaus (kaip parodyta atitinkamai 2 pav., Tf ir Tb), o išmatuota temperatūra akumuliatoriaus šone ir temperatūra apsauginio vožtuvo atsidarymo padėtyje yra žymimi kaip Ts ir Tup atitinkamai. Padėkite penkias termoporas temperatūrai matuoti virš apsauginio vožtuvo skirtinguose aukščiuose, kurie yra 5 cm, 10 cm, 20 cm, 30 cm ir 40 cm atstumu nuo apsauginio vožtuvo.

3. Rezultatai ir diskusija

3.1 Dujų susidarymas ir liepsnos elgsena TR proceso metu

Esant 100 % SOC, TR proceso metu akumuliatorius pasižymi dideliu dujų susidarymu ir liepsnos veikimu, kaip parodyta 3 paveiksle. Apsauginiam vožtuvui atsidarius po 0 sekundžių, per 1 sekundę išpurškiamas didelis kiekis elektrolito. , dėl ko pasikeičia liepsnos spalva dėl degių medžiagų. Po 60 sekundžių ir 175 sekundžių įvyko dviejų akumuliatoriaus viduje esančių šerdies terminis šuolis, dėl kurio įvyko du intensyvūs dujų gamybos ir liepsnos purškimo reiškiniai. Tai rodo, kad nors dujų užsidegimas turi nedidelį poveikį šiluminio pabėgimo procesui, visas akumuliatoriaus šiluminio pabėgimo procesas trunka apie 240 sekundžių, o jo rizika daugiausia pasireiškia stipria dujų gamyba ir reaktyviomis liepsnomis. Uždaroje erdvėje degių dujų užsidegimas gali sukelti sprogimą, o intensyvūs liepsnos purškimai gali sukelti rimtą šiluminės spinduliuotės poveikį aplinkiniams akumuliatoriams ir aplinkai.

3.2 Šiluminė akumuliatoriaus paviršiaus temperatūros analizė

Akumuliatoriaus paviršiaus temperatūra yra pagrindinis parametras vertinant akumuliatoriaus TR procesą. 4 paveiksle pavaizduoti akumuliatoriaus paviršiaus temperatūros pokyčiai esant 50 % SOC ir 100 % SOC sąlygoms. 4 paveiksluose (a) ir (b) pavaizduoti temperatūros pokyčiai dujų gamybos sąlygomis, o (c) ir (d) – temperatūros pokyčiai uždegimo sąlygomis. Stebėjimo rezultatai rodo, kad esant tokiai pačiai SOC, akumuliatoriaus paviršiaus temperatūros pokyčiai abiem sąlygomis turi panašias tendencijas. Nors liepsnos atsiranda virš akumuliatoriaus ir turi tam tikrą srauto greitį, jų spinduliuojama šiluma turi ribotą tiesioginį poveikį akumuliatoriaus paviršiui, todėl dujų degimo poveikis akumuliatoriaus paviršiaus temperatūrai yra palyginti mažas. Akumuliatoriams, kuriuose yra 50 % SOC, terminis išsijungimo procesas yra gana lėtas, kaip parodyta 4 paveiksle (a) ir (c). Esant dujų gamybos sąlygoms, temperatūra akumuliatoriaus šone sparčiai pakyla ir per 3200 sekundžių suaktyvina šiluminį nutekėjimą, o aukščiausia temperatūra siekia atitinkamai 434,9 laipsnio C (priekyje) ir 307,3 laipsnio C (galinėje). Uždegimo sąlygomis temperatūra akumuliatoriaus šone smarkiai pakyla per 3169 sekundes, o aukščiausia temperatūra yra šiek tiek aukštesnė nei dujų gamybos sąlygos. Aukščiausia priekinio ir galinio paviršių temperatūra yra atitinkamai 475,9 laipsniai C ir 319,6 laipsniai C. Tuo tarpu tyrime buvo analizuojami ir akumuliatoriaus įtampos pokyčiai. Dujų ir liepsnos sąlygomis, kai akumuliatorius, turintis 50 % SOC, patiria terminį nutekėjimą, jo įtampa mažės lėtai, maždaug 400 sekundžių. Tai rodo, kad terminio pabėgimo metu 50% SOC baterijų vidinė reakcijos greitis yra lėtesnė, o terminio pabėgimo proceso trukmė ilgesnė.

Siekiant toliau analizuoti terminio bėgimo proceso reguliarumo charakteristikas, 5 paveiksle pavaizduotos temperatūros kilimo greičio ir laiko, taip pat temperatūros ir temperatūros kilimo greičio kreivės. DT/dt reiškia temperatūros kilimo greitį. Remiantis temperatūros kilimo greičiu akumuliatoriaus gale, kai temperatūros kilimo greitis viršija 0,5 laipsnio C/s, reakcija akumuliatoriaus viduje apibrėžiama kaip negrįžtama. Akumuliatoriaus, kurio SOC yra 50 %, temperatūros kilimo greitis, viršijantis 0,5 laipsnį C/s, yra 80 sekundžių, o akumuliatoriaus su 100 % SOC ši trukmė yra 200 sekundžių. Tuo tarpu 100 % SOC baterijų šiluminio pabėgimo didžiausias temperatūros kilimo greitis taip pat yra didesnis nei 50 % SOC baterijų. Pagal temperatūros pokyčio kreivę ir dT/dt akumuliatoriaus šiluminį bėgimo procesą galima suskirstyti į keturis etapus: pirmasis etapas yra šildymo būsena, kai temperatūros kilimo greitis palaikomas 0.{12}}.04 laipsnio. C/s. Akumuliatoriaus vidinė temperatūra žema, o šilumos šaltinis į akumuliatorių perduodamas per šildymo plokštę. Antrasis etapas yra pradinis terminio pabėgimo etapas, kai temperatūros kilimo greitis palaipsniui didėja iki 1 laipsnio C/s. Akumuliatoriaus viduje esanti SEI plėvelė pradeda irti, o elektrolitas išgaruoja į elektrolito garus, todėl padidėja vidinis slėgis ir paspartėja vidinės reakcijos. Trečiasis etapas yra terminis pabėgimo etapas, kai dėl greitos vidinių medžiagų reakcijos susidaro didelis kiekis dujų, o tai pasireiškia kaip didelio kiekio degių dūmų difuzija, nesant išorinio uždegimo šaltinio ir esant liepsnos, tai pasireiškia kaip intensyvi reaktyvinė liepsna. Ketvirtasis etapas yra aušinimo etapas. Akumuliatoriui praradus šiluminę kontrolę, baterijos paviršiaus temperatūra gali siekti 500 laipsnių C. Dėl to, kad akumuliatorius vis dar yra aukštos temperatūros, vis dar yra tam tikras pavojus.

3.3 Dujų susidarymo ir liepsnos temperatūros analizė

6 paveiksle pavaizduoti 50 % SOC ir 100 % SOC akumuliatorių dujų temperatūros pokyčiai skirtinguose aukščiuose dujų generavimo sąlygomis. Išanalizavus baterijos paviršiaus temperatūrą, galima daryti išvadą, kad 50 % SOC baterijų šiluminė pabėgimo trukmė yra ilgesnė nei 100 % SOC akumuliatorių, o šią išvadą galima patikrinti ir dujų temperatūros kreivėje. Laikas, kai 50% SOC akumuliatoriaus temperatūra yra aukštesnė nei 50 laipsnių C, trunka apie 500 sekundžių, o aukščiausia dujų temperatūra 5 cm yra santykinai žema – 173,2 laipsnio C; 100 % SOC baterijų aukštos temperatūros trukmė yra trumpesnė, tačiau aukščiausia dujų temperatūra 5 cm aukštyje yra aukštesnė ir siekia 325,7 laipsnio C, o tai yra maždaug dvigubai daugiau nei 50 % SOC baterijų (kaip parodyta 6 paveiksle (b). Priežastis ta, kad akumuliatoriai su didesniu SOC pasižymi intensyvesnėmis vidinėmis reakcijomis, greitesniu dujų susidarymo greičiu ir trumpesniu konvekciniu šilumos perdavimo tarp aukštos temperatūros dujų ir supančios aplinkos trukmę. Dėl konvekcinio šilumos perdavimo temperatūra matavimo taške išilgai akumuliatoriaus aukščio palaipsniui mažėja, o dujų temperatūra šalia akumuliatoriaus apsauginio vožtuvo yra gana aukšta. Kai matavimo taškas yra 50 cm atstumu nuo akumuliatoriaus apsauginio vožtuvo, 100% SOC akumuliatoriaus generuojamų dujų temperatūra nesiekia 40 laipsnių C.

Eksperimento metu keturios pagrindinės dujos CO, CH4, C2H4 ir CO2 buvo išmatuotos terminio bėgimo proceso metu naudojant Furjė transformacijos infraraudonųjų spindulių spektrometrą. Nustatyta, kad šiluminio bėgimo metu daugiausia susidaro anglies dioksido, kurio dalis buvo daug didesnė nei kitose dujose, po to seka anglies monoksidas, metanas, etilenas ir kitos angliavandenilių dujos. Kadangi prietaisas negalėjo matuoti vandenilio dujų, jo koncentracija nebuvo analizuojama. Be to, remiantis šių keturių dujų santykio analize 6 paveiksle (d), anglies dioksidas sudaro 51,2 %, o anglies monoksidas – 22,9 %. Tačiau, atsižvelgiant į didelį vandenilio dujų kiekį, susidarantį per terminį nutekėjimo procesą, 6 paveiksle (d) parodyta anglies dioksido dalis nėra visų dujų komponentų dalis. Dėl didelio susidarančių dujų degumo TR rizika yra didesnė. Todėl grynų dujų sąlygomis šiluminis bėgimas daugiausia sukelia toksiškumo, uždusimo ir degimo pavojų.

Faktiniame energijos kaupimo baterijų scenarijuje gaisrai dažnai įvyksta po to, kai baterija paliečia šilumos TR, todėl uždegimo operacija turėtų būti atliekama atidarius akumuliatoriaus apsauginį vožtuvą ir analizuojama dujų temperatūra po uždegimo. Kaip parodyta 7 paveiksle, penki temperatūros matavimo taškai yra išdėstyti vertikaliai virš akumuliatoriaus, kad būtų galima matuoti liepsnos temperatūrą skirtinguose aukščiuose. Atidarius apsauginį vožtuvą, iškart paleidžiamas uždegimas, o temperatūra kiekviename matavimo taške smarkiai pakyla. Dėl šiluminio išsiveržimo akumuliatoriaus viduje susidaro daug dujų, o virš apsauginio vožtuvo kyla smarki ugnis. Iš temperatūrų kreivės matyti, kad aukščiausia temperatūra iš pradžių būna 10cm aukštyje, o 5cm ir 20cm aukštyje temperatūros beveik nesiskiria. Vėlesniame terminio pabėgimo etape liepsna palaipsniui mažėja, o aukščiausia temperatūra būna 5 cm aukštyje, stabiliai degant dujoms, kol liepsna užgęsta. Palyginti su temperatūra dujų gamybos sąlygomis, temperatūra virš akumuliatoriaus žymiai padidėja po to, kai atsiranda liepsna, kaip parodyta 7 paveiksle (b). Aukščiausia liepsnos temperatūra virš akumuliatoriaus esant 50 % SOC gali siekti apie 750 laipsnių C, o akumuliatoriaus temperatūra esant 100 % SOC yra dar aukštesnė, o didžiausia temperatūra viršija 900 laipsnių C (žr. 7 paveikslą (b). ).

3.4 Kokybės praradimo analizė

8 paveiksle parodytas 50 % SOC ir 100 % SOC baterijų kokybės praradimas ir kokybės praradimo greitis terminio pabėgimo metu dujų gamybos sąlygomis. Prieš sparčiai prastėjant kokybei, abiejų tipų SOC baterijos patyrė lėtą kokybės prastėjimo fazę ir sumažėjo maždaug 100-200 g. Šis lėtas nusileidimo procesas yra susijęs su akumuliatoriaus apsauginio vožtuvo konstrukcija. Kai vidinis akumuliatoriaus slėgis pasiekia tam tikrą lygį, apsauginis vožtuvas šiek tiek sumažins slėgį. Kadangi apsauginis vožtuvas yra visiškai atidarytas, kokybės praradimo greitis šio proceso metu yra gana lėtas. Didėjant dujų kiekiui akumuliatoriaus viduje, vidinis slėgis palaipsniui didėja. Kai vidinis slėgis pasiekia apsauginio vožtuvo slėgio ribą, apsauginis vožtuvas plyšta, todėl išpurškiamas didelis kiekis dujų ir elektrolito, todėl masė linijiškai mažėja, kaip parodyta 8 pav. Šio proceso metu kokybė nuostolių greitis yra maždaug 110 g/s.

Kelios baterijos viduje esančios šerdys sukėlė kelis kokybės praradimo greičio viršūnes terminio bėgimo metu. 50% SOC baterijų vidinė reakcija yra lėta, atitinkanti du mažesnius smailes atitinkamai 2,3 g/s ir 1,25 g/s. Dėl santykinai didelės talpos 100 % SOC baterijos patiria sunkesnius terminio nutekėjimo procesus, kurių du didžiausi masės nuostoliai yra atitinkamai 12,9 g/s ir 15,25 g/s, kaip parodyta 8 paveiksle (b). Be to, 100% SOC baterijų masės praradimo greičio viršūnės buvo du mažesni terminio išsipūtimo dujų generavimo proceso metu.

9 paveiksle parodytas masės pokytis ir masės praradimo greitis terminio nutekėjimo proceso metu liepsnos sąlygomis. Šiluminio pabėgimo procesas paprastai yra toks pat, kaip ir dujų generavimo sąlygomis, tačiau atidarius apsauginį vožtuvą masės praradimo greitis yra palyginti mažas. Masės praradimo greitis, atitinkantis 50 % SOC ir 100 % SOC, yra atitinkamai 69,9 g/s ir 92,9 g/s. Priežastis ta, kad uždegimas atliekamas atidarius apsauginį vožtuvą, o dalis elektrolito ir dujų nėra visiškai išpurškiami, o šiuo metu visiškai sudega. Nors masės praradimo greitis yra mažas, jis vis tiek gerokai viršija dvi didžiausias terminio pabėgimo vertes (dvi didžiausios 50 % SOC liepsnos vertės yra 2,05 g/s ir 1,2 g/s, o dvi didžiausios 100 % SOC vertės yra 8,05 g/s ir 9,95 g/s, abu mažesni nei masės praradimo greitis dujų gamybos sąlygomis). Palyginus bendrą masės nuostolį dviem sąlygomis, galima daryti išvadą, kad masės nuostoliai liepsnos sąlygomis yra didesni nei dujų gamybos sąlygomis.

3.5. Šilumos išsiskyrimo greičio analizė

Atidarius akumuliatoriaus apsauginį vožtuvą, atliekamas uždegimas. Remiantis deguonies suvartojimo teorija, akumuliatoriaus šilumos išsiskyrimo greitis esant terminiam degimui matuojamas taip, kaip parodyta 10 paveiksle. 50 % SOC akumuliatoriui pirmoji šilumos išsiskyrimo greičio viršūnė po uždegimo yra 57,107 kW. Eksperimento metu integravus šilumos išsiskyrimo greitį, gaunama 20,79 MJ suminė degimo šiluma. 100% SOC akumuliatoriaus pirmasis didžiausias šilumos išsiskyrimo greitis po uždegimo yra 62,485 kW. Dėl didelio dujų gamybos greičio didžiausias šilumos išsiskyrimo greitis stipriausiu šiluminio pabėgimo momentu siekia 85,667 kW, o tai yra daug didesnis nei 50% SOC akumuliatoriaus šilumos išsiskyrimo greitis, kaip parodyta 10 (b) paveiksle. Integravus visą eksperimentinį šilumos išsiskyrimo greitį, bendra degimo metu susidaranti šiluma yra 25,97 MJ. Nors 50 % SOC baterijų šiluminė pabėgimo trukmė ir liepsnos trukmė yra ilgesnės, jų bendra degimo šiluma yra tik 5,18 MJ mažesnė nei 100 % SOC baterijų.

4. Išvada

(1) SOC poveikis baterijų paviršiaus temperatūrai yra didesnis nei liepsnos. Esant dujų ir liepsnos sąlygoms, aukščiausia 100 % SOC akumuliatoriaus paviršiaus temperatūra šiluminio bėgimo metu yra aukštesnė nei 50 % SOC akumuliatoriaus, o tuo pačiu SOC akumuliatoriaus paviršiaus temperatūra dujų ir liepsnos sąlygomis yra beveik tas pats.

(2) Liepsnos temperatūra yra daug aukštesnė nei dujų gamybos temperatūra. 100 % SOC baterijų šiluminio išsiliejimo sukuriama dujų temperatūra gali siekti 325,7 °C, o didžiausia liepsnos temperatūra gali viršyti 900 °C. Užsidegus dujoms ji daro didelį poveikį aplinkai virš akumuliatoriaus ir aplink jį, daugiausia atsispindi aukštos temperatūros liepsnų spinduliuotės poveikis aplinkai. Nesant išorinio ugnies šaltinio, susikaupus dideliam dujų kiekiui gali kilti apsinuodijimo, uždusimo ir sprogimo pavojus.

(3) 50 % SOC ir 100 % SOC baterijų didžiausias masės praradimo greitis dujų gamybos sąlygomis yra didesnis nei liepsnos sąlygomis, o akumuliatoriaus vidinė struktūra ir terminio nutekėjimo procesas nustatomi pagal didžiausią masės praradimo greitį. . Didžiausias 100% SOC baterijų šilumos išsiskyrimo greitis po terminio degimo yra gana didelis, tačiau 50% SOC baterijų šiluminė išleidimo trukmė yra ilgesnė ir liepsna egzistuoja ilgiau. Bendra šiluma, išsiskirianti deginant 50 % SOC ir 100 % SOC baterijas, skiriasi tik 5,18 MJ.