本文關鍵詞：常壓和低壓下鋰原電池、鋰離子電池火災行為研究

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【摘要】：目前鋰電池在各種電子產(chǎn)品中得到廣泛應用,與之而來的是鋰電池的火災和爆炸事故常有發(fā)生,在鋰電池應用的同時需要對其火災和爆炸危險問題進行精確評估。本論文的工作總結(jié)如下:首先進行了鋰原電池燃燒特性的實驗研究。在量熱平臺中進行單個和多個鋰原電池的燃燒試驗以測量它們的燃燒參數(shù)。在這些測試中,電池暴露于20kWm-2的輻照下,測量的參數(shù)包含點燃時間、質(zhì)量損失、熱釋放速率和溫度分布等。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)多個鋰原電池燃燒具有超過1200℃的火焰溫度并釋放大量熱和腐蝕性的化合物。結(jié)果表明,燃燒效率、二氧化碳產(chǎn)生量和質(zhì)量損失與電池的數(shù)量成正比。可以用指數(shù)增長經(jīng)驗公式來描述一定數(shù)量內(nèi)電池組燃燒熱量和電池數(shù)量的關系。這些結(jié)果為鋰原電池的使用、儲存和分配過程中的防火措施提供了科學依據(jù)。測試了兩種商業(yè)18650鋰離子電池在不同充電狀態(tài)下的燃燒性能。測量和評價了鋰離子電池的燃燒特性,包括表面溫度、點燃時間、質(zhì)量損失和熱釋放速率(HRR)。通常鋰離子電池在經(jīng)歷熱失控的情況時會發(fā)生破裂、燃燒、甚至爆炸現(xiàn)象。固體電解質(zhì)界面膜的分解和聚合物隔膜的分解被認為是導致鋰離子電池燃燒的直接原因。實驗結(jié)果表明,HRR和燃燒熱量通常隨著充電狀態(tài)增加而上升,而第一次噴射的時間和第一、二次噴射之間的時間間隔減小。鈷酸鋰18650電池表現(xiàn)出比磷酸鐵鋰18650電池更高的爆炸風險,因為前者釋放了更多的氧氣。通過氧消耗方法計算和修正實驗燃燒熱量數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)內(nèi)部產(chǎn)生的氧對熱估計具有顯著影響,其中100%充電狀態(tài)的鈷酸鋰18650電池的最大修正率為29.9%。對不同布置的電池進行了實驗,即水平4×1、水平2×2和垂直2×2鋰離子電池的火災實驗。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同的電池組布置可以影響點燃時間、熱釋放速率、燃燒熱量和輻射熱流,而質(zhì)量損失的方式和總質(zhì)量損失是相似的。結(jié)果表明,具有較大受熱面積的電池具有更大的熱失控危險和更劇烈的燃燒。減小的環(huán)境壓力會影響燃燒過程中的物理和化學反應,并且燃料的燃燒與普通環(huán)境壓力下有顯著不同的燃燒特性。鋰電池的火災行為同樣受環(huán)境壓力條件的影響,本文提供了在正常和高海拔條件下鋰電池火災的差別實驗。在海平面城市合肥(100.8千帕/24米)和高原城市拉薩(64.3千帕/3650米)分別建造了同樣配置的量熱平臺,以研究環(huán)境壓力對鋰電池火災行為的影響。從鋰原電池燃燒對比實驗結(jié)果中發(fā)現(xiàn),合肥和拉薩鋰原電池的質(zhì)量損失表現(xiàn)為隨電池個數(shù)增多而增大的線性關系。對于相同電池個數(shù)的電池組,質(zhì)量損失隨著壓力升高而增加。在高海拔地區(qū),熱釋放速率、燃燒熱量和輻射熱流等參數(shù)會隨著海拔高度的上升和氧氣濃度的減少而減小,在拉薩鋰原電池的燃燒效率低于合肥。鋰離子電池在低壓下的火災危險性的特征表現(xiàn)為點燃時間、質(zhì)量損失、熱釋放速率和燃燒熱量的減少。單個電池的點燃時間隨著充電狀態(tài)的上升而減小,壓力的增加導致相同充電狀態(tài)的電池點燃更快,質(zhì)量損失、熱釋放速率和燃燒熱量等參數(shù)會隨著壓力升高和氧氣濃度升高而增加。電池組的實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)質(zhì)量損失和電池數(shù)量呈現(xiàn)線性增長的關系,不同之處是在較高壓力下的電池具有更高的質(zhì)量損失。電池組的熱釋放速率隨電池數(shù)量的增多而增大,也隨環(huán)境壓力的升高而增大�？梢杂靡环N指數(shù)增長關系來描述電池組燃燒熱量隨著電池數(shù)量改變的變化規(guī)律,并且這個指數(shù)增長關系是壓力依賴的。
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM910

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