双相流细水雾抑制锂离子电池热失控蔓延试验研究

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.08.015

摘要/Abstract

摘要：

为抑制锂离子电池热失控及其蔓延，构建氮气与细水雾（NWM）双相流系统.通过改变系统施加压强和作用时间，对比分析电池表面温度和附近烟气体积分数以及NWM的冷却功率和电池模块的热量累积，阐述NWM系统抑制锂离子电池模块热失控蔓延的机制及有效性.结果表明，在NWM冷却电池模块表面和窒息机制的协同作用下，电池模块射流火的持续时间显著降低；且NWM压强越大，作用时间越长，会使电池表面的最高温度越低，相邻电池之间TR蔓延的时间间隔越长，表明NWM抑制锂离子电池热失控蔓延的有效性显著增强.

关键词: 锂离子电池, 热失控, 氮气, 细水雾, 冷却作用, 窒息机制

Abstract:

To suppress the thermal runaway（TR） and its propagation in lithium?ion batteries， a nitrogen and water mist（NWM） biphasic flow system is constructed. By changing the pressure and duration of the system， comparing the surface temperature and the volume fraction of flue gas emitted from the batteries， and analyzing the cooling power of NWM and the heat accumulation in the battery module， the mechanism and effectiveness of NWM system in suppressing TR propagation in the lithium?ion battery module are studied. The results show that under the synergistic effect of NWM cooling the battery module surface and the suffocation mechanism， duration of the jet fire of the battery module is significantly reduced. Moreover， higher NWM pressure and longer duration of the system leads to lower peak temperature on the battery surface， and time intervals for TR propagation between adjacent batteries increases， demonstrating a significantly enhanced effectiveness of NWM in suppressing the propagation of TR in lithium?ion batteries.

Key words: lithium?ion battery, thermal runaway（TR）, nitrogen, water mist, cooling effect, asphyxiation mechanism

中图分类号:

X 932

张培红, 张鑫, 李子建, 姜雪. 双相流细水雾抑制锂离子电池热失控蔓延试验研究[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(8): 1185-1192.

Pei-hong ZHANG, Xin ZHANG, Zi-jian LI, Xue JIANG. Experimental Study on the Suppress Effect of Biphasic Flow Water Mist on Thermal Runaway Propagation in Lithium-Ion Batteries[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2024, 45(8): 1185-1192.

图/表 13

图1 电池和热电偶的排布方式（a）—电池模块；（b）—电池1左表面；（c）—电池1右表面.

Fig. 1 Arrangement of the batteries and thermocouples

图2 试验布置

Fig. 2 Arrangement of test

表1 试验方案设置

Table 1 Experimental scheme settings

试验	工作压强	持续时间	雾滴D₅₀	N₂流量	水雾流量
试验	MPa	s	μm	L·min^-1	mL·min^-1
1	—	—	—	—	—
2	0.4	30	50	52	140
3	0.5	30	45	56	160
4	0.6	30	40	61	180
5	0.4	60	50	52	140
6	0.5	60	45	56	160
7	0.6	60	40	61	180

图3 电池模块的平均温度

Fig. 3 The average temperature of battery module

图4 电池模块TR射流火及其蔓延过程

Fig. 4 Battery module TR with a jet flame and its propagation process

图5 试验2~试验4电池模块的平均温度（a）—试验2；（b）—试验3；（c）—试验4.

Fig. 5 The average temperature of battery model for test 2~4

表 2 TR蔓延时间ti→i + 1 (s)

Table 2 TR propagation time ti→i + 1

试验	t_1→2	t_2→3	t_3→4	t_4→5	总计
1	7	7	18	13	45
2	5	18	27	55	105
3	8	19	46	35	108
4	6	23	54	—	—
5	6	24	7	14	73
6	5	10	—	—	—
7	6	24	—	—	—

图6 试验5~试验7电池模块的平均温度（a）—试验5；（b）—试验6；（c）—试验7.

Fig. 6 The average temperature of battery model for test 5~7

图7 试验7结束后电池表面图

Fig. 7 The pictures of each battery after TR for test 7

表3 试验1~试验7 TR射流火抑制作用及其持续时间

Table 3 Jet flame suppression and duration of test 1~7

试验	电池1	电池2	电池3	电池4	电池5	射流火持续时间/s
1	√	√	√	√	√	96
2	√	√	×	×	×	29
3	√	√	×	×	×	24
4	√	√	×	×	—	22
5	√	√	×	×	×	31
6	√	√	×	—	—	22
7	√	√	×	—	—	20

图8 试验1，4，7的电池热量积累

Fig. 8 Heat accumulation of each battery in test 1, 4, 7

图9 试验1和试验7中电池1表面各位置的平均温度（a）—试验1；（b）—试验7.

Fig. 9 The average temperature of battery 1 surface at each location in test 1 and test 7

图10 试验1和试验7电池模块 TR过程中各烟气含量（a）—CO2；（b）—CO；（c）—H2 .

Fig. 10 Content of each flue gas during the TR process of the battery module in test 1 and test 7

参考文献 16

1	Chiu K C， Lin C H， Yeh S F，et al.An electrochemical modeling of lithium‑ion battery nail penetration［J］.Journal of Power Sources，2014，251：254–263.
2	张培红，袁威，魏钟源，等.湿热环境下NCM三元锂离子电池热失控分析［J］.东北大学学报（自然科学版），2020，41（6）：881-887．
	Zhang Pei‑hong， Yuan Wei， Wei Zhong‑yuan，et al.Thermal runaway analysis of NCM lithium‑ion battery in humid and hot environment［J］.Journal of Northeastern University（Natural Science），2020，41（6）：881-887.
3	Wang Z， Yang H， Li Y，et al.Thermal runaway and fire behaviors of large‑scale lithium‑ion batteries with different heating methods［J］.Journal of Hazardous Materials，2019，379（5）：120730.
4	Wang Q S， Mao B B， Stoliarov S L，et al.A review of lithium ion battery failure mechanisms and fire prevention strategies［J］.Progress in Energy and Combustion Science，2019，73：95-131.
5	Zhao L H， Sottos N R.Autonomous strategies for improved performance and reliability of Li‑ion batteries［J］.Advanced Energy Materials，2020，11（5）：2003139.
6	Feng X N， He X M， Ouyang M G，et al.Thermal runaway propagation model for designing a safer battery pack with 25 Ah LiNi _x Co _y Mn _z O₂ large format lithium‑ion battery［J］.Applied Energy，2015，154：74-91.
7	Yuan C C， Wang Q S， Wang Y，et al.Inhibition effect of different interstitial materials on thermal runaway propagation in the cylindrical lithium ion battery module［J］.Applied Thermal Engineering，2019，153：39-50.
8	Li Q B， Yang C B， Santhanagopalan S，et al.Numerical investigation of thermal runaway mitigation through a passive thermal management system［J］.Journal of Power Sources，2019，429：80-88.
9	Wang Q S， Shao G Z， Duan Q L，et al.The efficiency of heptafluoropropane fire extinguishing agent on suppressing the lithium titanate battery fire［J］.Fire Technology，2016，52（2）：387-396．
10	Liu Y J， Yang K， Zhang M J，et al.The efficiency and toxicity of dodecafluoro‑2‑methylpentan‑3‑one in suppressing lithium ion battery［J］.Journal of Energy Chemistry，2022，65：532-540.
11	刘昱君，段强领，黎可，等.多种灭火剂扑救大容量锂离子电池火灾的实验研究［J］.储能科学与技术，2018，7（6）：1105-1112.
	Liu Yu‑jun， Duan Qiang‑ling， Li Ke，et al.Experimental study on fire extinguishing of large‑capacity lithium‑ion batteries by various fire extinguishing agents［J］.Energy Storage Science and Technology，2018，7（6）：1105-1112.
12	赵军超，付阳阳，薛峰，等.低压细水雾系统扑救锂电池箱火灾的试验研究［J］.安全与环境学报，2022，22（4）：1897-1903.
	Zhao Jun‑chao， Fu Yang‑yang， Xue Feng，et al.Experimental study on suppressing lithium battery package fires by low‑pressure water mist system［J］.Journal of Safety and Environment，2022，22（4）：1897-1903.
13	Zhang L， Li Y Q， Duan Q L，et al.Experimental study on the synergistic effect of gas extinguishing agents and water mist on suppressing lithium‑ion battery fires［J］.Journal of Energy Storage，2020，32：101801.
14	Liu Y J， Duan Q L， Xu J J，et al.Experimental study on a novel safety strategy of lithium‑ion battery integrating fire suppression and rapid cooling［J］.Journal of Energy Storage，2020，28：101185.
15	Zhang T W， Liu H， Song J W，et al.Synergistic inhibition effect on lithium‑ion batteries during thermal runaway by N₂‑twin‑fluid liquid mist［J］.Case Studies in Thermal Engineering，2022，37：102269.
16	Feng X N， Sun J， Ouyang M G，et al.Characterization of penetration induced thermal runaway propagation process within a large format lithium‑ion battery module［J］.Journal of Power Sources，2015，275：261-273.

[1]	刘芳，刘彦鹏，李静东，卜凡涛. 车载动力电池放电过程健康状态在线估计[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2022, 43(11): 1544-1551.
[2]	张培红，袁威，魏钟原，李子建. 湿热环境下NCM三元锂离子电池热失控分析[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2020, 41(6): 881-887.
[3]	李夔宁，张宏济，谢翌，傅春耘. 基于电-热-老化耦合模型的自适应多段恒流充电研究[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2019, 40(9): 1323-1329.
[4]	耿树东，翟玉春. 溶胶凝胶辅助高温球磨合成LiCr_○xMn_2-○x○O₄[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2017, 38(5): 671-675.
[5]	姜鹏飞，孙友宏，郭威，李强. 压裂-注氮原位裂解油页岩加热工艺及传热模拟[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2015, 36(9): 1353-1358.
[6]	张培红，田向亮，张怡，纪庭超. 顶部排烟耦合细水雾作用下的火灾烟气特性[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2014, 35(8): 1199-1202.
[7]	张培红，冯瑞，许文斌，田向亮. 纵向排烟和高压细水雾耦合对隧道火灾的抑制作用[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2013, 34(5): 719-721.
[8]	袁万颂;田彦文;刘国强;穆萍;. 纳米Zn_2SnO_4的水热合成及电化学性能[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2010, 31(9): 1322-1324.
[9]	刘国强;刘艳敏;刘光印;田彦文;. LiCoO_2表面沉积ZrO_2涂层的结构和电化学性能[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2010, 31(5): 693-695+699.
[10]	康晓雪;田彦文;袁万颂;. LiFePO_4的水热合成及电化学性能[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2009, 30(9): 1298-1301.
[11]	刘丽英;田彦文;徐茶清;翟玉春;. 锂离子电池正极材料锂钒氧的固相合成[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2006, 27(4): 434-437.
[12]	刘丽英;田彦文;翟玉春;徐茶清;. 锂钒氧化物的制备与电化学性能研究[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2006, 27(10): 1130-1133.
[13]	徐茶清;田彦文;伍继君;翟玉春. 固相法制备尖晶石型LiMn_2O_4的电化学性能[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2005, 26(7): 656-659.
[14]	曲涛;田彦文;钟参云;翟玉春. 锂离子电池正极材料LiFePO_4的合成及电化学性能[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2005, 26(4): 271-274.
[15]	于永丽;翟秀静;王云霞;姚广春. 微波合成LiCoO_2及其结构表征[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2005, 26(3): 266-269.