PDF《2016年COMSOL年会》

严佳佳,陈昊东,王青松* 中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室 2016.

11.03 2016年COMSOL年会 锂离子电池热安全及防控措施研究 目录 ? 锂离子电池热安全问题的提出 ? 主要研究进展 ?锂离子电池产热规律 ?锂离子电池热失控 ?锂离子电池热管理系统 ? 面临的主要挑战 ? 安全问题:锂离子电池火灾和爆炸事故频发 ? 亟需解决日益增长的锂电需求与安全性之间的矛盾 ? 锂离子电池火灾特点及难点: ? 主要形式:热失控导致火灾爆炸 ? 灾害孕育:锂离子的赋存状态主导锂离子电池的热安全性 ? 灾害发生:热失控发展迅速、火灾危险性大 ? 灾害防控:缺少有效的防控手段 锂离子电池热安全问题 总体研究概况 ? 聚焦:锂离子电池火灾危险性及防控技术 关键 科学 问题 灾害 孕育 灾害 特征 灾害 防控 热-电耦合下 反应的热动 力学规律 热失控演化 机理及火灾 危险性 本质安全方法 及系统的消防 解决方案 灾害 过程 材料 热稳 定性 电池 循环 产热 热失 控模 型 火灾 危险 性 本质 安全 技术 热管 理技 术 消防 安全 技术 主要 研究 工作 ? 揭示了锂离子电池循环产热规律 Sun, Wang* et al. International Journal of Heat and Mass Transfer

93 (2016) 896C905 Sun, Wang* et al. Energy Conversion and Management

92 (2015) 184C193 1.电池产热规律 绝热 1.0C 充放电循环条件下电池温升的 实验值与模拟值对比图 ?电化学-热耦合模型:有限元法、瞬态 计算 ?充放电实验在绝热加速量热仪 (ARC) 中进行,联用充放电循环仪 ?模拟结果与实验数据吻合较好 商用三元-钛酸锂 软包电池 (1 Ah) ? 可逆热在放电过程为 正值,在充电过程为 负值 ? 充电过程中,不可逆 热值略高于可逆热, 故总热源在充电过程 中是大于零的 ? 不可逆热在充电末期 和放电初期出现急剧 增大变化 1.电池产热规律 0.5C 充放电循环下电池热源分析 ?可逆热与不可逆热 ? 充放电循环 + 不同倍率 → 电池产热 温度双峰 ? 不同散热条件:辐射散热占总散热量 42% Sun, Wang* et al. International Journal of Heat and Mass Transfer

93 (2016) 896C905 1.电池产热规律 自然对流条件下不同充放电倍率时 电池温升的对比 0.5C 充放电循环下不同散热条件下 电池温度的变化 2.电池热失控 锂离子电池热失控模型研究 ? 电化学模型 ? Newman 电化学模型和 White 电化学模型;

? 国内外学者等人对这两种模型进行了比较,认为 Newman 模型计算灵敏度更高. ? 电化学-热耦合模型 ? 一维电化学与三维热模型相耦合,模拟电池在正常充放电工 况下的温度变化. ? Chen 等开展了锂离子电池的三维模拟. ? 未考虑化学反应产热 2.电池热失控 ? 建立了耦合化学反应热的热失控模型 ? 荷电状态~产热→各反应的热贡献→建立热失控模型 Sun, Wang* et al. Energy Conversion and Management

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184 Chen, et al. Wang*. Energies

8 (2015)

490 由自制 CR2032 纽扣电池的 C80 热流 曲线计算得到 50Ah 电池的热流曲线 2.电池热失控 ? 热失控模拟结果: Sun, Wang* et al. Energy Conversion and Management

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184 Chen, Wang* et al. Energies

8 (2015)

490 50Ah 钛酸锂电池不同充放电倍率下热失控过程 1Ah 钛酸锂软包电池热失控过程 2.电池热失控 ? 电池模组热效应: ?随着与受热单体距离的增加和散热工况的改进,电池模块内各个单体因过热 单体电池热辐射影响而造成的温度变化变小. ?过热电池周边的