مطالعه تجربی بر روی تولید گاز و رفتار شعله ناشی از فرار حرارتی باتری لیتیوم آهن فسفات 280 Ah

1. پیشینه تحقیق

کمبود انرژی و آلودگی زیست محیطی مشکلات اصلی پیش روی بشریت است و توسعه انرژی های جدید به یک مرکز تحقیقاتی جهانی تبدیل شده است. باتری‌های لیتیوم یونی، به‌ویژه باتری‌های لیتیوم فسفات آهن (LFP)، به دلیل مزایای عملکردی، به باتری ترجیحی برای ذخیره‌سازی انرژی تبدیل شده‌اند. نیروگاه های ذخیره انرژی الکتروشیمیایی (EES) به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند، اما مسائل ایمنی باتری های لیتیوم یون توجه زیادی را به خود جلب کرده است. در حال حاضر، درک کافی از خطرات رفتار فرار حرارتی (TR) در تولید گاز و شعله های آتش برای باتری های لیتیوم آهن فسفات با ظرفیت بالا (280Ah) وجود ندارد. این مطالعه ویژگی‌های فرار حرارتی (نرخ انتشار گرما، گرمای احتراق، دمای سطح باتری) و الگوهای تولید گاز (نوع گاز و نسبت ترکیب) باتری‌های 280AhLFP را با استفاده از روش گرمایش خارجی بررسی کرد. ویژگی‌های تولید گاز و رفتار ماکروسکوپی شعله فرار حرارتی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و قوانین تکامل فرار حرارتی باتری و خطر آتش‌سوزی تحت حالت‌های مختلف شارژ (SOC) روشن شد. تأثیر SOC بر پارامترهای مشخصه فرار حرارتی باتری نیز مورد بررسی قرار گرفت. این مطالعه رفتار TR باتری‌های LFP را در EES در 50% و 100% SOC نشان می‌دهد، و داده‌های مرجع را برای طراحی پیشگیری از آتش سوزی EES و طراحی واکنش اضطراری ارائه می‌دهد.

2. راه اندازی آزمایشی

2.1 مثال باتری

این مطالعه از یک باتری لیتیوم یونی 280Ah با فسفات آهن لیتیوم (LiFePO4) به عنوان ماده الکترود مثبت و گرافیت (C) به عنوان ماده الکترود منفی استفاده کرد. پارامترهای فیزیکی دقیق در جدول 1 نشان داده شده است. از دستگاه NEWARECT{4}}V20A NFT برای شارژ و تخلیه باتری استفاده کنید. باتری را با جریان 20 آمپر تخلیه کنید تا ولتاژ قطع به 2.5 ولت برسد. باتری با استفاده از جریان ثابت و ولتاژ ثابت، با جریان شارژ 20 آمپر و جریان های قطع و ولتاژ 2.8 آمپر و 3.65 ولت شارژ می شود. قبل از آزمایش، باتری را به طور کامل شارژ کنید (100٪ SOC)، و سپس باتری را با توجه به نیازهای آزمایشی تا حالت شارژ مورد نظر تخلیه کنید.

2.2 دستگاه ها و روش های آزمایشی

2.2.1 راه اندازی آزمایشی

شکل 1 سکوی آزمایشی مورد استفاده در کار شامل محفظه احتراق تولید شده بر اساس استاندارد ISO9705 با ابعاد 1.8 × 1.8 × 2 متر و سایر تجهیزات آزمایشی را نشان می دهد. یک مجرای خروجی دود در قسمت بالایی محفظه احتراق وجود دارد. تمام آزمایشات در محفظه احتراق انجام شد.

2.2.2 روش های تجربی

از یک صفحه گرم کننده برای فرار حرارتی باتری لیتیوم آهن فسفات (LiFePO4) 280Ah استفاده کنید. دمای سطح باتری را با استفاده از یک ترموکوپل نوع K اندازه‌گیری کنید، نرخ آزادسازی گرما (HRR) را در طول فرآیند TR با استفاده از دستگاه اندازه‌گیری نرخ انتشار حرارت اندازه‌گیری کنید، و کل تولید گرمای فرار حرارتی را از طریق یکپارچه‌سازی بدست آورید. از طیف‌سنج فروسرخ تبدیل فوریه (طیف‌سنج FTIR) برای تشخیص ترکیب گاز، و از تعادل Mettler برای جمع‌آوری تغییرات جرم در زمان واقعی استفاده کنید. هنگامی که مقدار زیادی دود منتشر می شود، از یک دستگاه احتراق الکترونیکی برای احتراق الکترولیت پاشیده شده و گاز قابل احتراق استفاده کنید. ترموکوپل ها بر روی سطح گرمایش و سطح پشتی باتری توزیع می شوند (همانطور که در شکل 2، Tf و Tb به ترتیب نشان داده شده است)، و دمای اندازه گیری شده در کنار باتری و درجه حرارت در موقعیت باز شدن شیر اطمینان به صورت نشان داده شده است. Ts و Tup به ترتیب. پنج ترموکوپل را برای اندازه گیری دما در بالای شیر اطمینان در ارتفاعات مختلف قرار دهید که در فاصله های 5 سانتی متر، 10 سانتی متر، 20 سانتی متر، 30 سانتی متر و 40 سانتی متر از شیر اطمینان فاصله دارند.

3. نتایج و بحث

3.1 تولید گاز و رفتار شعله در طول فرآیند TR

همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، در 1{2}}0% SOC، باتری تولید گاز و رفتار شعله قابل توجهی را در طول فرآیند TR نشان می‌دهد. پس از باز شدن شیر اطمینان در 0 ثانیه، مقدار زیادی الکترولیت در 1 ثانیه به بیرون پاشیده می‌شود. ، باعث تغییر رنگ شعله به دلیل وجود مواد قابل اشتعال می شود. در 60 ثانیه و 175 ثانیه، دو هسته درون باتری دچار فرار حرارتی شدند که باعث دو پدیده شدید تولید گاز و پاشش شعله شد. این نشان می دهد که اگرچه احتراق گاز تأثیر کمی بر فرآیند فرار حرارتی دارد، کل فرآیند فرار حرارتی باتری حدود 240 ثانیه طول می کشد و خطرات آن عمدتاً در تولید گاز شدید و شعله های جت آشکار می شود. در یک فضای محدود، احتراق گازهای قابل احتراق می‌تواند منجر به انفجار شود، در حالی که اسپری‌های شدید شعله می‌تواند اثرات تابش حرارتی جدی بر باتری‌های اطراف و محیط داشته باشد.

3.2 تجزیه و تحلیل فرار حرارتی دمای سطح باتری

دمای سطح باتری یک پارامتر کلیدی در ارزیابی فرآیند TR باتری است. شکل 4 تغییرات دمای سطح باتری را در شرایط 50% SOC و 100% SOC نشان می دهد. شکل 4 (الف) و (ب) تغییرات دما را در شرایط تولید گاز نشان می دهد، در حالی که (ج) و (د) تغییرات دما را در شرایط احتراق نشان می دهد. نتایج مشاهدات نشان می‌دهد که تحت یک SOC، تغییرات دمای سطح باتری تحت دو شرایط روند مشابهی دارد. اگرچه شعله‌ها در بالای باتری ظاهر می‌شوند و سرعت جت مشخصی دارند، گرمای تابشی آنها تأثیر مستقیم محدودی بر سطح باتری دارد، بنابراین تأثیر احتراق گاز بر دمای سطح باتری نسبتاً کم است. همانطور که در شکل 4 (الف) و (ج) نشان داده شده است، برای باتری‌هایی با 50% SOC، فرآیند فرار حرارتی نسبتاً کند است. در شرایط تولید گاز، دمای کناری باتری به سرعت افزایش می‌یابد و در 3200 ثانیه باعث فرار حرارتی می‌شود که بالاترین دما به ترتیب به 434.9 درجه سانتی‌گراد (جلو) و 307.3 درجه سانتی‌گراد (پشت) می‌رسد. در شرایط احتراق، دمای کناری باتری به شدت در 3169 ثانیه افزایش می‌یابد که بالاترین دما کمی بالاتر از شرایط تولید گاز است. بالاترین دما در سطوح جلویی و پشتی به ترتیب 475.9 درجه سانتیگراد و 319.6 درجه سانتیگراد است. در همین حال، این مطالعه تغییرات ولتاژ باتری را نیز تجزیه و تحلیل کرد. در شرایط گاز و شعله، هنگامی که باتری با 50% SOC دچار فرار حرارتی شود، ولتاژ آن به آرامی کاهش می یابد و مدت زمان آن حدود 400 ثانیه است. این نشان می‌دهد که در طول فرار حرارتی، سرعت واکنش داخلی باتری‌های SOC 50% کندتر است و مدت زمان فرآیند فرار حرارتی طولانی‌تر است.

به منظور تجزیه و تحلیل بیشتر ویژگی‌های منظم فرآیند فرار حرارتی، شکل 5 منحنی‌های نرخ افزایش دما و زمان، و همچنین دما و نرخ افزایش دما را نشان می‌دهد. DT/dt میزان افزایش دما را نشان می دهد. بر اساس نرخ افزایش دما در پشت باتری، زمانی که نرخ افزایش دما از 0.5 درجه سانتیگراد در ثانیه بیشتر شود، واکنش داخل باتری غیرقابل برگشت تعریف می شود. برای باتری با 50٪ SOC، مدت زمان افزایش دما بیش از 0.5 درجه سانتیگراد در ثانیه 80 ثانیه است، در حالی که برای باتری با 100٪ SOC، این مدت زمان 200 ثانیه است. در همین حال، نرخ افزایش دمای پیک فرار حرارتی در باتری‌های 100% SOC نیز بیشتر از باتری‌های 50% SOC است. با توجه به منحنی تغییر دما و dT/dt، فرآیند فرار حرارتی باتری را می‌توان به چهار مرحله تقسیم کرد: مرحله اول حالت گرمایش است که نرخ افزایش دما در 0.04 درجه حفظ می‌شود.{12}}}. C/s. دمای داخلی باتری پایین است و منبع گرما از طریق صفحه گرمایش به باتری منتقل می شود. مرحله دوم مرحله اولیه فرار حرارتی است که در آن سرعت افزایش دما به تدریج تا 1 درجه سانتیگراد در ثانیه افزایش می یابد. فیلم SEI داخل باتری شروع به تجزیه می کند و الکترولیت به بخار الکترولیت تبخیر می شود و باعث افزایش فشار داخلی و تسریع واکنش های داخلی می شود. مرحله سوم مرحله فرار حرارتی است که در آن واکنش سریع مواد داخلی مقدار زیادی گاز تولید می کند که به صورت انتشار مقدار زیادی دود قابل احتراق در غیاب منبع احتراق خارجی و در حضور گاز ظاهر می شود. شعله های آتش، به صورت شعله های جت شدید ظاهر می شود. مرحله چهارم مرحله خنک کننده است. پس از اینکه باتری کنترل حرارتی خود را از دست داد، دمای سطح باتری می تواند به 500 درجه سانتیگراد برسد. با توجه به اینکه باتری همچنان در دمای بالا قرار دارد، هنوز درجه خاصی از خطر وجود دارد.

3.3 تولید گاز و تجزیه و تحلیل دمای شعله

شکل 6 تغییرات دمای گاز باتری های 50% SOC و 100% SOC را در ارتفاعات مختلف در شرایط تولید گاز نشان می دهد. با تجزیه و تحلیل دمای سطح باتری، می توان نتیجه گرفت که مدت زمان فرار حرارتی باتری های 50% SOC بیشتر از باتری های 100% SOC است و این نتیجه را می توان در منحنی دمای گاز نیز تایید کرد. زمانی که دمای یک باتری SOC 50% بالاتر از 50 درجه سانتیگراد است حدود 500 ثانیه طول می کشد و بالاترین دمای گاز در 5 سانتی متر نسبتاً پایین است، در 173.2 درجه سانتیگراد. مدت زمان دمای بالای باتری‌های 100% SOC کوتاه‌تر است، اما بالاترین دمای گاز در 5 سانتی‌متر بالاتر است و به 325.7 درجه سانتی‌گراد می‌رسد که تقریباً دو برابر باتری‌های SOC 50 درصد است (همانطور که در شکل 6 (ب) نشان داده شده است). دلیل آن این است که باتری‌هایی با SOC بالاتر واکنش‌های داخلی شدیدتر، نرخ تولید گاز سریع‌تر و زمان انتقال حرارت همرفتی کوتاه‌تر بین گاز با دمای بالا و محیط اطراف دارند. تحت عمل انتقال حرارت همرفتی، دما در نقطه اندازه گیری در امتداد ارتفاع باتری به تدریج کاهش می یابد و دمای گاز در نزدیکی شیر اطمینان باتری نسبتاً بالا است. هنگامی که نقطه اندازه گیری 50 سانتی متر از شیر اطمینان باتری فاصله دارد، دمای گاز تولید شده توسط باتری 100% SOC به 40 درجه سانتی گراد نمی رسد.

در طول آزمایش، چهار گاز اصلی CO، CH4، C2H4 و CO2 در طول فرآیند فرار حرارتی با استفاده از طیف‌سنج فروسرخ تبدیل فوریه اندازه‌گیری شدند. مشخص شد که دی اکسید کربن بیشترین تولید را در طول فرار حرارتی دارد، با نسبت بسیار بالاتری نسبت به سایر گازها، و پس از آن مونوکسید کربن، متان، اتیلن و سایر گازهای هیدروکربنی قرار دارند. به دلیل عدم توانایی دستگاه در اندازه گیری گاز هیدروژن، غلظت آن مورد تجزیه و تحلیل قرار نگرفت. علاوه بر این، با توجه به تجزیه و تحلیل نسبت این چهار گاز در شکل 6 (د)، دی اکسید کربن 51.2 درصد و مونوکسید کربن 22.9 درصد است. با این حال، با توجه به مقدار زیادی گاز هیدروژن تولید شده در طول فرآیند فرار حرارتی، نسبت دی اکسید کربن نشان داده شده در شکل 6 (د) نسبت همه اجزای گاز نیست. به دلیل اشتعال پذیری زیاد گاز تولید شده، خطر TR بیشتر است. بنابراین، در شرایط گاز خالص، رفتار فرار حرارتی عمدتاً خطرات سمیت، خفگی و احتراق را به همراه دارد.

در سناریوی واقعی باتری های ذخیره انرژی، آتش سوزی اغلب پس از تماس باتری با گرمای TR رخ می دهد، بنابراین عملیات احتراق باید پس از باز شدن دریچه ایمنی باتری انجام شود و دمای گاز پس از احتراق باید تجزیه و تحلیل شود. همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است، پنج نقطه اندازه گیری دما به صورت عمودی بالای باتری قرار گرفته اند تا دمای شعله را در ارتفاع های مختلف اندازه گیری کنند. پس از باز شدن شیر اطمینان، احتراق بلافاصله شروع می شود و دما در هر نقطه اندازه گیری به شدت افزایش می یابد. به دلیل فرار حرارتی داخل باتری، مقدار زیادی گاز تولید می شود و یک آتش سوزی شدید جت در بالای شیر ایمنی ظاهر می شود. از منحنی دما می توان دریافت که بیشترین دما در ابتدا در ارتفاع 10 سانتی متری رخ می دهد و دما در ارتفاعات 5 سانتی متر و 20 سانتی متر تقریباً یکسان است. در مرحله بعدی فرار حرارتی، شعله به تدریج کاهش می یابد و بالاترین دما در ارتفاع 5 سانتی متری با احتراق پایدار گاز تا خاموش شدن شعله رخ می دهد. در مقایسه با دما در شرایط تولید گاز، دمای بالای باتری پس از ظاهر شدن شعله به طور قابل توجهی افزایش می یابد، همانطور که در شکل 7 (ب) نشان داده شده است. بالاترین دمای شعله بالای باتری در 50٪ SOC می تواند به حدود 750 درجه سانتیگراد برسد و دمای باتری در 100٪ SOC حتی بالاتر است، با دمای اوج بیش از 900 درجه سانتیگراد (شکل 7 (ب) را ببینید. ).

3.4 تجزیه و تحلیل از دست دادن کیفیت

شکل 8 افت کیفیت و نرخ افت کیفیت باتری های 50% SOC و 100% SOC را در طول فرار حرارتی تحت شرایط تولید گاز نشان می دهد. قبل از کاهش سریع کیفیت، هر دو نوع باتری SOC یک فاز آهسته کاهش کیفیت را تجربه کردند که تقریباً 100-200 گرم کاهش یافت. این روند فرود آهسته به طراحی سوپاپ ایمنی باتری مربوط می شود. هنگامی که فشار داخلی باتری به حد معینی می رسد، شیر اطمینان کمی فشار را آزاد می کند. با توجه به باز شدن کامل شیر اطمینان، سرعت افت کیفیت در این فرآیند نسبتاً کند است. با افزایش گاز داخل باتری، فشار داخلی به تدریج افزایش می یابد. هنگامی که فشار داخلی به حد فشار شیر اطمینان می رسد، شیر اطمینان پاره می شود و باعث می شود مقدار زیادی گاز و الکترولیت به بیرون پاشیده شود و در نتیجه کاهش خطی جرم، همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است. در طی این فرآیند، کیفیت میزان تلفات تقریباً 110 گرم در ثانیه است.

هسته های متعدد داخل باتری باعث اوج های متعدد در نرخ از دست دادن کیفیت در طول فرار حرارتی شد. واکنش داخلی باتری های 50% SOC آهسته است که به ترتیب مربوط به دو پیک کوچکتر 2.3g/s و 1.25g/s است. باتری‌های 100% SOC به دلیل ظرفیت نسبتاً بالایی که دارند، فرآیندهای فرار حرارتی شدیدتری را تجربه می‌کنند، با دو نرخ از دست دادن جرم به ترتیب 12.9g/s و 15.25g/s، همانطور که در شکل 8 (ب) نشان داده شده است. علاوه بر این، برای باتری های 100٪ SOC، دو پیک کوچکتر در نرخ تلفات جرم در طول فرآیند تولید گاز فرار حرارتی وجود داشت.

شکل 9 تغییر جرم و نرخ تلفات جرم را در طول فرآیند فرار حرارتی در شرایط شعله نشان می دهد. فرآیند فرار حرارتی به طور کلی مانند شرایط تولید گاز است، اما هنگامی که شیر اطمینان باز می شود، نرخ تلفات جرم نسبتاً کم است. نرخ تلفات جرم مربوط به 50% SOC و 100% SOC به ترتیب 69.9g/s و 92.9g/s است. دلیل آن این است که عملیات احتراق زمانی انجام می شود که شیر اطمینان باز می شود و مقداری الکترولیت و گاز به طور کامل پاشیده نمی شود، اما در این زمان کاملاً می سوزد. اگرچه نرخ تلفات جرم کم است، اما هنوز از دو مقدار پیک فرار حرارتی فراتر می رود (دو مقدار پیک 50% شعله SOC 2.05 گرم بر ثانیه و 1.2 گرم در ثانیه و دو مقدار پیک 100 درصد SOC هستند. 8.05 گرم در ثانیه و 9.95 گرم در ثانیه، هر دو کمتر از نرخ از دست دادن جرم در شرایط تولید گاز). با مقایسه افت جرم کل در دو شرایط می توان نتیجه گرفت که افت جرم در شرایط شعله بیشتر از شرایط تولید گاز است.

3.5. تجزیه و تحلیل نرخ انتشار گرما

پس از باز شدن دریچه ایمنی باتری، احتراق انجام می شود. با توجه به تئوری مصرف اکسیژن، نرخ آزاد شدن گرمای باتری تحت احتراق حرارتی، همانطور که در شکل 10 نشان داده شده است، اندازه گیری می شود. برای باتری 50% SOC، اولین پیک نرخ آزاد شدن حرارت پس از احتراق 57.107 کیلو وات است. ادغام نرخ انتشار گرما در طول آزمایش، گرمای کل تولید شده توسط احتراق 20.79 MJ را به دست می‌دهد. اولین اوج انتشار حرارت باتری 100% SOC پس از احتراق 62.485 کیلو وات است. با توجه به نرخ تولید گاز بالای آن، اوج رهاسازی حرارت در قویترین لحظه فرار حرارتی به 85.667 کیلووات می رسد که بسیار بیشتر از نرخ آزادسازی حرارت باتری 50% SOC همانطور که در شکل 10 (ب) نشان داده شده است. پس از ادغام کل نرخ آزادسازی حرارت تجربی، کل گرمای تولید شده توسط احتراق 25.97 مگا ژول است. اگرچه مدت زمان فرار حرارتی و مدت زمان شعله باتری های 50% SOC بیشتر است، گرمای احتراق کل آنها فقط 5.18 مگا ژول کمتر از باتری های 100% SOC است.

4. نتیجه گیری

(1) تاثیر SOC بر دمای سطح باتری ها بیشتر از شعله های آتش است. در شرایط گاز و شعله، بالاترین دمای سطح باتری 100٪ SOC در هنگام فرار حرارتی بیشتر از یک باتری SOC 50٪ است، در حالی که در همان SOC، دمای سطح باتری در شرایط گاز و شعله تقریباً برابر است. همان

(2) دمای شعله بسیار بالاتر از دمای تولید گاز است. دمای گاز تولید شده توسط فرار حرارتی باتری های 100٪ SOC می تواند به 325.7 درجه سانتیگراد برسد، در حالی که دمای اوج شعله می تواند از 900 درجه سانتیگراد تجاوز کند. اثر تشعشعی شعله های آتش با دمای بالا بر محیط زیست. در صورت عدم وجود منبع خارجی آتش، تجمع مقدار زیادی گاز می تواند خطر مسمومیت، خفگی و انفجار را به همراه داشته باشد.

(3) برای باتری های 50% SOC و 100% SOC، نرخ اتلاف جرم اوج در شرایط تولید گاز بیشتر از آن در شرایط شعله است، و ساختار داخلی و فرآیند فرار حرارتی باتری بر اساس نرخ از دست دادن جرم اوج تعیین می شود. . اوج رهاسازی حرارت باتری‌های 100% SOC پس از احتراق حرارتی نسبتاً زیاد است، اما مدت زمان فرار حرارتی باتری‌های 50% SOC طولانی‌تر است و شعله برای مدت طولانی‌تری وجود دارد. مجموع گرمای آزاد شده از احتراق باتری های 50% SOC و 100% SOC تنها 5.18 مگا ژول متفاوت است.