磷酸铁锂和镍钴锰酸锂18650电池模组在低气压下的热失控传播行为研究

引言：

锂离子电池由于其能量密度高，循环性能好等优点在各个领域的应用越来越广泛，如电动飞机、储能电池系统、电动汽车和eVTOL等。然而，随着锂离子电池大规模的使用，锂离子电池事故频繁的发生已经引起了全世界对其安全性的关注。尤其是航空领域的锂离子电池事故率逐渐上升，这对锂离子电池的安全性能提出了挑战。据统计，2006年1月至2021年3月期间，全球发生了308起涉及锂离子电池的航空事故。这些事故造成了严重的经济损失，并对生命安全构成了严重威胁，这表明迫切需要对低气压环境下锂离子电池的热失控特征及其机制进行深入研究。

研究内容：

中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室王青松课题组研究了磷酸铁锂（LFP）和镍钴锰酸锂（NCM523）电池模组在95、70和35 kPa气压下的热失控传播特征。获取了锂电池模组热失控中的一些关键参数，包括电池热失控温度和传播速度等，分析了两种不同正极材料电池在低气压下电池热失控过程中安全阀打开的主要原因，并且建立了低气压下两种电池模组热失控传播模型。

研究结果与讨论：

研究全面分析了LFP和NCM523模块在95、70和35kPa下电池热失控特性，得到的结论如下。

1）低气压下两种电池热失控行为与热失控时间差别较大。如图1所示，与在低压下的NCM523模组中看到的火花喷出或燃烧行为不同，磷酸铁锂离子电池模组中只观察到相当数量的白烟。镍钴锰酸锂电池的热失控持续时间非常短，在1-6秒内，但磷酸铁锂离子电池在低压下最长可以达到124秒。随着压力的降低，锂离子电池模组的热失控行为变得更弱；特别是镍钴锰酸锂电池的燃烧行为只发生在95kPa工况下。

图1 LFP和NCM523电池模组的热失控传播行为

2）两种锂离子电池随着环境压力的降低，最高温度值降低，并且在相同压力环境下，镍钴锰酸锂电池热失控温度远高于磷酸铁锂电池。如图2所示，在95、70和35 kPa时，磷酸铁锂（镍钴锰酸锂）电池模组的平均最高温度分别为462.2（922.4）、438.4（874.2）和414.2℃（821.4℃）。此外，在95、70和35 kPa下，随着环境压力的降低，磷酸铁锂（镍钴锰酸锂电池模组的平均最高温度下降了约20（50℃）。在相同的压力环境下，镍钴锰酸锂电池模组的最大平均温度是磷酸铁锂电池模组的2倍，在低压下镍钴锰酸锂电池模组的热危害更加严重。

图 2低气压下LFP和NCM523电池模组热失控传播过程中温度变化

3）随着环境压力的降低，磷酸铁锂电池热失控传播速度增加，但是镍钴锰酸锂电池传播速度受到抑制。如图3所示，在95、70和35 kPa下，磷酸铁锂电池的热失控传播速度分别为1.68、3.33和6.0个电池/分钟，镍钴锰酸锂电池的传播速度分别为0.42、0.31和0.21个电池/分钟。环境压力的降低促进了磷酸铁锂电池模组的传播，但对镍钴锰酸锂电池模组却有抑制作用。

图 3低气压下LFP和NCM523电池模组热失控传播速度

4）随着环境压力的降低，电池的质量损失逐渐增加，并且对于镍钴锰锂电池而言，随着环境压力的降低，电池的安全阀打开的冲击力逐渐增加。如图4所示，磷酸铁锂（镍钴锰酸锂）电池的质量损失率在95、70和35 kPa时分别为14.7、12.6和12.3%（45.4、33.3和32.3%）。随着环境压力的降低，两个模组的质量损失率下降，但镍钴锰酸锂电池的安全阀打开的冲击力逐渐增加。在低气压下，冲击保护对镍钴锰酸锂电池模组是非常重要的。

图 4低气压下LFP和NCM523电池模组热失控过程中质量变化

这项工作澄清了两种不同正极材料锂离子电池低气压下的热失控传播特性，这有助于改善在低气压下锂离子电池模组的选择和安全使用。

成果简介：

研究成果发表在 Energy 期刊上，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室硕士生贾壮壮为论文的第一作者，王青松为通讯作者。

Zhuangzhuang Jia, Zonghou Huang, Hongju Zhai, Pen Qin, Yue Zhang, Yawen Li, Qingsong Wang*. Experimental investigation on the thermal runaway propagation of 18650 lithium-ion battery modules with two cathode materials in low pressure, Energy 

https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.123925

低压热失控传播--Energy--贾壮壮--中国科大.pdf