ACSEnergyLett.：评估锂离子电池电芯、模组和电池组的火灾与烟雾风险

锂电联盟会长 2024-11-06 09:43 599浏览 0评论 0点赞

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【研究背景】

自20世纪90年代锂离子电池问世以来，由于其具有高能量密度、长循环寿命和较低的自放电率，它迅速成为了主流的能量存储解决方案。然而，随着锂离子电池在电动汽车、可再生能源存储系统以及消费电子产品中的广泛应用，安全问题逐渐显现出来，尤其是火灾和烟雾风险。据统计数据显示，锂离子电池相关的火灾事件呈现出逐年上升的趋势，这给用户和社会带来了重大的安全隐患。热失控是引发锂离子电池火灾的主要原因，通常在电池过充、短路或外部热源影响下发生。热失控过程中，电池内部温度急剧升高，导致电解液分解和气体释放，这些气体在高温下可能引发剧烈燃烧。同时，热失控释放的烟雾中含有多种有毒物质，如氟化物和烃类，可能对人类健康和环境造成严重影响。尽管国际上已经针对锂离子电池的安全标准和检测规范进行了一定程度的完善，但现有研究主要集中在提升电池的电化学性能和循环寿命，针对火灾和烟雾风险的系统性研究相对不足。因此，本研究通过实验和理论分析，全面评估锂离子电池在极端条件下的火灾和烟雾风险，探索有效的安全防范措施，以提升锂离子电池的安全性。

【成果简介】

近日，美国德克萨斯州UL安全试验研究所-电化学安全研究所Judith A. Jeevarajan 和美国伊利诺斯州UL公司研究人员Byoungchul Kwon，Alexandra Schraiber深入探讨了锂离子电池的热失控机制，以及产生的火灾和烟雾风险，旨在提升锂离子电池的安全性，相关研究成果以“Evaluating Fire and Smoke Risks with Lithium-Ion Cells, Modules, and Batteries”为题发表在ACS Energy Letters上。气体分析表明烃类、氢气以及二氧化碳在释放到密闭环境中时，其浓度可能会超过气体混合物的可燃性下限（lower flammability limit, LFL）。火灾的性质和释放的烟雾量并不总是随着电芯数量的增加而呈线性增长，这表明在相关的配置和环境中进行测试是迫切需要的。深入研究热失控所释放到密闭空间的气体将有助于设计出更安全的通风和防爆系统，同时也有助于第一响应者和消防员提供预警信息。为此，本研究提出了一系列防范措施，包括优化电池设计、增强电池管理系统（BMS）、改进材料等，旨在降低火灾和烟雾风险。通过进行单体、模组和电池组的热失控测试，该研究提供了锂离子电池热失控过程的重要数据，有助于制定更为严谨的安全标准和检测规范，推动锂离子电池技术的安全发展。

【研究内容】

本研究工作首先关注于锂离子电池两种不同材料和容量的电芯单元，它们分别采用了LFP（磷酸铁锂）和NMC（镍锰钴三元电池）两种不同的阴极化学材料。图中展示了这些电池单元的基本形态，包括LFP圆柱电池和NMC方壳电池。研究工作通过热失控测试，对这些单元在热失控过程中的火灾和烟雾风险进行了表征。特别是，它分析了从电芯到模组再到电池包不同构成下，火灾和烟雾的规模是否线性增长，以及这种增长是否受到阴极化学材料的影响。下图展示了NMC和LFP电芯和模组在热失控测试中的分布及构成，有助于观察和分析热失控过程中热量和气体的释放以及它们在不同组件之间的扩散方式。通过测试，研究人员能够更深入地了解热失控的机制，以及如何通过改变电池的配置来减少火灾和烟雾的风险。

图1 NMC及LFP电池中单电芯、模组和电池的位置图以及热电偶、加热器和触发电池在电池的位置照片。

研究人员首先在空气环境中测试了LFP和NMC单电芯的热失控行为，得到了温度时间变化曲线，分别列出了排气状态、热失控初始状态以及峰值温度时电芯内部温度变化的详细数据。在133−151°C的温度范围内，LFP电芯开始排气，热失控的起始温度为187−189°C，最高温度范围为388−442°C。NMC电芯在大约187−195°C时开始排气，并在大约213°C时发生热失控。加热器记录到的最高温度为591−615°C。

图2 LFP和NMC单电芯在空气环境下热失控试验时的温度响应图。

下图展示了在空气条件下对LFP模块进行热失控测试的结果。特别是，它显示了两个LFP模块在测试过程中表现出的不同行为。第一个模块在测试中出现了温度急剧上升和气体释放的现象，而第二个模块则表现出更为稳定的行为。这种差异可能是由于模块内部的电池单元之间的连接方式和热传导路径的不同所导致的。通过对比和分析这些结果，研究人员能够更准确地预测和评估LFP模块在热失控过程中的行为。

图3 （a、b） LFP和（c、d） NMC模块在不同温度下的温度测量。(e) LFP模块和(f) NMC模块的热失控扩散模式。

除此之外，研究人员详细描述了LFP电池组在加热测试中的结果。测试中，通过在电池组内的部分电池单元上安装加热器，增加了热失控传播的可能性。图中展示了电池组在测试过程中的温度变化以及气体的释放情况。通过这些数据，研究人员能够分析热失控在电池组内的传播方式，以及如何通过改进电池组的设计来减少这种风险。

图4 LFP电池在环境空气热失控试验中的温度响应。

研究人员还测试了热失控过程中电池组内部温度变化的详细数据。这些数据是通过在电池组内的不同位置安装热电偶来收集的。通过对比和分析这些数据，研究人员能够更深入地了解热失控过程中热量的传播和分布方式。这对于开发更有效的热管理策略以减少火灾和烟雾风险具有重要意义。

图5 NMC电池热失控试验时的温度响应及热失控扩散过程。

最后，本研究还展示了LFP电芯、模块和电池组在热失控测试后的外观图。特别是，它显示了电池包的外壳在测试过程中软化并破裂的现象。这种破裂可能是由于电池组内部压力和温度急剧上升所导致的。通过观察和分析这些现象，研究人员能够更准确地评估电池组在热失控过程中的安全性和稳定性。同时，这些数据也为开发更坚固的电池组外壳和更有效的热管理策略提供了重要依据。

图6 单电芯、模块和LFP电池、NMC电池测试后的照片。

【结论展望】

综上所述，本研究系统评估了锂离子电池、模块和电池组在极端条件下的火灾和烟雾风险，深入揭示了热失控机制以及烟雾及火灾发生的风险。研究结果显示，在特定条件下，锂离子电池存在较高的安全隐患。因此，迫切需要加强对锂离子电池的安全管理。未来针对锂离子电池安全问题的研究可以聚焦于以下几个方面：首先，探索新型电池材料，特别是研发更安全、稳定的电解液，以降低热失控的风险；其次，要进一步完善电池管理系统（BMS），通过实时、精确地监控电池的温度与电压变化，及时发出预警，从而有效防范潜在的安全隐患；最后，积极推动相关法规与标准的制定工作，确保锂离子电池的安全使用。通过这些举措，有望推动锂离子电池在更多领域实现安全应用，为人们的日常生活及工业生产提供更安全的解决方案。

Byoungchul Kwon, Alexandra Schraiber, and Judith A. Jeevarajan. ACS Energy Letters, 2024; DOI: 10.1021/acsenergylett.4c02480

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