Адиабатический калориметр для больших батарей — количественная оценка рисков взрыва газа: испытания литий-ионных батарей на тепловой разгон

Предыстория – Адиабатический калориметр с большой батареей

С широким распространением литий-ионных аккумуляторов в таких важных секторах, как электромобили, накопители энергии, бытовая электроника и аэрокосмическая промышленность, вопросы безопасности этих аккумуляторов привлекли значительное внимание. Одним из основных рисков безопасности, связанных с литий-ионными аккумуляторами, является тепловой разгон, приводящий к выделению газа и взрывам. Это явление может привести к пожарам или даже взрывам, представляя прямую угрозу безопасности пользователя.

Когда один элемент литий-ионной батареи подвергается тепловому разгону из-за определенных триггеров, он запускает серию интенсивных химических реакций в материалах батареи, генерируя значительное количество тепла и выделяя горючие и токсичные газы. Это нарастание внутренней температуры и давления может привести к разрыву батареи, что приведет к выделению горючих газов, которые могут воспламениться при контакте с воздухом, что приведет к струйному пламени или взрывным огненным шарам, тем самым вызывая тепловой разгон в соседних ячейках и вызывая инциденты, связанные с безопасностью.

Состояние заряда, срок службы и материальный состав аккумуляторов могут влиять на состав газов, выделяемых во время их работы, что, в свою очередь, влияет на их взрывоопасные характеристики и риск теплового разгона. Оценка взрывоопасных характеристик газов, выделяемых аккумуляторами, имеет решающее значение для оценки безопасности литий-ионных аккумуляторов, а пределы взрываемости являются критическим параметром для оценки опасности горючих газов.

Тестирование анализа предела взрываемости

В этой статье рассматривается литий-ионная батарея отечественного производителя емкостью 50 А·ч при 100% состоянии заряда (SOC), которая была подвергнута экспериментам по тепловому разгону с использованием адиабатического калориметра большой батареи (BAC-420A) в атмосфере инертного газа. Затем выделяющиеся газы были собраны, и газовая хроматография была использована для анализа состава газа. Результаты показали смесь различных горючих и инертных газов, которые затем были объединены в пары в соответствии с указанным методом. Формула Лехтейлье была использована для оценки пределов взрываемости газовой смеси.

Рис. 2 Результаты хроматографического анализа компонентов газопродукции литий-ионного аккумулятора

Различные горючие газы и инертные газы в смеси можно соединить в пары по определенному методу, а предел взрываемости смеси оценить с помощью формулы Лехтейлье [2]:

Формула вычисляет предел взрываемости (Lm) газовой смеси на основе пределов взрываемости (L1, L2, …, Ln) и соответствующих объемов (V1, V2, …, Vn) ее компонентов. Рассчитанный нижний предел воспламеняемости (LFL) для газа, выделяющегося из батареи, составил 33,02%.

Далее мы проверяем приведенные выше расчеты экспериментально. В этом случае тестер предела взрываемости (HWP21-30S) используется для проверки предела взрываемости газовой смеси. С помощью этого прибора газ может быть автоматически дозирован, и в соответствии с явлением вспышки после воспламенения можно судить, достиг ли образец газа предела взрываемости при установленной концентрации.

Экспериментальное видео: (б) 30% концентрация

Экспериментальное видео: (c) 40% концентрация

Экспериментальное видео: (d) 35% концентрация

Экспериментальное видео: (e) концентрация 32,5%

Из-за ограничений по объему газа в данном случае было проведено всего 5 экспериментов, результаты которых приведены ниже:

Последующая экспериментальная проверка проводилась с использованием прибора для испытания предела взрываемости (модель HWP21-30S). Прибор автоматически смешивает газы, а концентрация газа, при которой происходит воспламенение, указывает на достижение предела взрываемости. Эксперименты проводились несколько раз из-за ограничений по объему газа, и результаты подтвердили, что диапазон LFL для газа, выделяющегося из батареи, составлял от 32,5% до 35%.

Экспериментальное обсуждение – Адиабатический калориметр с большой батареей

Хотя экспериментальные результаты дают ценные идеи, существуют определенные ограничения. Например, тепловой разгон в литий-ионных аккумуляторах обычно происходит в атмосфере инертного газа, но введение большого количества инертного газа может увеличить LFL газа, выделяемого аккумулятором. 

Кроме того, условия давления для испытаний на предел взрываемости еще не определены, и результаты могут немного различаться между атмосферным давлением и условиями высокого давления (испытания под высоким давлением требуют использования оборудования для испытаний на предел взрываемости при высокой температуре и высоком давлении). Эти вопросы требуют дальнейшего обсуждения среди отраслевых экспертов для содействия установлению соответствующих стандартов испытаний.