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文章導讀

近期，來自清華大學團隊的王賀武、張亞軍等人利用nac高速攝像機（型號：ACS-1），以“鋰離子動力電池中等荷電狀態(tài)下熱失控產(chǎn)物噴發(fā)過程研究”為題深入研究了NCM622電池在中等SOC下熱失控vent爆開、內(nèi)容物噴射過程，進一步加深了對電池熱失控的認識。成果發(fā)表在最近的《儲能科學與技術(shù)》上。

研究背景

由于防爆閥爆開時電池內(nèi)部壓力非常大，電池熱失控過程極為迅猛，通過普通的攝像機記錄無法了解其詳細過程。故此次研究采用武漢中創(chuàng)聯(lián)達科技有限公司提供的日本nac高速攝像機（型號：ACS-1）對整個現(xiàn)象進行視頻記錄。

圖文解析

一般來說，電池在內(nèi)短路和過充、加熱等極端條件下存在熱失控風險。對于方形動力電池，除了爆炸等極端案例，熱失控其他常見的現(xiàn)象為防爆閥爆開、大量煙霧和火焰從防爆閥口噴出。

此次研究的對象為方形動力電池，其組成包含有fuse(熔斷絲)、OverchargeSafety Device（過充保護裝置）和vent（防爆閥)三大安全設(shè)計要素。

電池采用NCM622/的石墨體系，具體實驗所用的方形動力電池信息如下表1所示：

圖1.簡易實驗裝置示意圖

高速攝像機在輔助光源幫助下對電池熱失控噴發(fā)過程進行拍攝，攝像機最大拍攝幀率為20萬幀/秒。

為了避免電池熱失控可能造成的儀器損壞和噴發(fā)物燃燒、爆炸問題，實驗團隊設(shè)計了一套耐高壓的密閉實驗裝置，對電池熱失控噴發(fā)過程進行研究（如圖1所示）。

圖2.由防爆閥噴出的射流的輪廓變化過程

注：上圖（圖2）為噴射流分別在0.26ms、0.80ms、3.20ms、16.0ms、400.0ms的灰度圖像（相對時間），下圖為經(jīng)過濾波等處理后的輪廓圖像。

能夠看到噴射流一開始從防爆閥兩側(cè)流出時，外輪廓為帶狀，隨后在上方形成上面小下面大的錐形外輪廓。

接著，隨著時間的推移，噴射流外輪廓變成無定型，隨后又變成上大下小的倒錐形，最后慢慢消失。

圖2展示的是在400ms內(nèi)噴射流的演變過程，從外輪廓的變化可以看到噴射流的波動，通過該波動可以看出噴射過程并不穩(wěn)定。

圖3.相態(tài)的演變過程

圖3給出了噴射流灰度圖像的演變過程，灰度值的變化反映了流體性質(zhì)包括相態(tài)的改變。

在噴發(fā)過程中，射流段灰度值總體上呈現(xiàn)出先減小后增加再減小的趨勢。隨著電池溫度升高，電池內(nèi)部壓力在電解液蒸氣與內(nèi)部產(chǎn)氣的共同作用下逐漸達到vent開啟壓力。此時，受制于電解液飽和蒸氣壓的限制，電池內(nèi)部電解液主要存在形式為液態(tài)。

上圖（圖3）整個噴發(fā)過程中射流出現(xiàn)了氣、液、固三種相態(tài)，由此可以得出，鋰離子電池熱失控產(chǎn)物噴射是一種復雜的多相的瞬態(tài)射流。

圖4.ven啟動過程

vent（防爆閥）是方形電池中的重要安全結(jié)構(gòu)件，了解其微觀啟動過程可以更好地對其進行設(shè)計。

在電池內(nèi)部不斷升高的壓力作用下，vent先在一側(cè)打開，另外一側(cè)與電池還保持連接狀態(tài)。從vent剛剛打開（圖4a）到vent大部分打開（圖4d），歷經(jīng)了0.4ms的時間。

在此過程中，覆蓋在電池安全釋放閥上方的透明防塵保護塑料薄膜已有變形，這是由于來自電池傳熱、熱氣流的加熱作用。在初期噴射流的壓力作用下，保護膜中心位置變形顯著，呈現(xiàn)球型凸起，隨著壓力的升高和變形的加劇，保護膜完全脫離電池安全釋放閥表面，并在氣流的作用下與電池本體剝離（圖4d）。

參考文獻

李成、王賀武，張亞軍，歐陽明高，李偉峰�！朵囯x子動力電池中等荷電狀態(tài)下熱失控產(chǎn)物噴發(fā)過程研究》儲能科學與技術(shù)。

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