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Test di stabilità termica del pacco batterie al litio - Parte 1

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Test di stabilità termica del pacco batterie al litio - Parte 1

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Dall'applicazione commerciale delle batterie agli ioni di litio, la tecnologia è progredita continuamente ed è stata ampiamente utilizzata nei veicoli elettrici, nell'immagazzinamento dell'energia, nell'informazione elettronica e in altri campi, promuovendo notevolmente lo sviluppo della società umana. Tuttavia, allo stesso tempo, si sono verificate diverse forme di esplosioni e incendi, che hanno sollevato preoccupazioni sulla sicurezza dell'uso delle batterie agli ioni di litio. I ricercatori precedenti hanno condotto ricerche approfondite sui rischi di incendio delle batterie agli ioni di litio.

Conducendo test di propagazione della combustione su stazioni di ricarica e scambio di veicoli elettrici, è stata confrontata e analizzata la stabilità termica di diversi tipi di batterie agli ioni di litio. È emerso che la stabilità termica dei materiali ternari al litio è inferiore a quella del fosfato di ferro di litio e dell'ossido di manganese di litio e che la loro temperatura di combustione ha maggiori probabilità di raggiungere il valore massimo in un breve periodo di tempo. Inoltre, gli studi hanno dimostrato che il rischio di esplosione termica delle batterie agli ioni di litio è strettamente correlato allo stato di carica (SOC) della batteria e che il rischio aumenta di solito con l'aumento del SOC.

Durante lo stoccaggio, il trasporto e l'utilizzo delle batterie al litio, il riscaldamento accidentale può esporle a un ambiente caldo, con il rischio di abuso termico. L'esperimento mostra che la temperatura critica equivalente per la fuga termica delle batterie al litio è compresa tra 123,8 e 139,2 ℃. In condizioni di surriscaldamento, le sostanze attive all'interno delle batterie al litio vengono potenziate, il che può facilmente innescare reazioni chimiche esotermiche tra i materiali della batteria, portando a un rapido riscaldamento interno che supera il valore critico e provoca il runaway termico e l'accensione della batteria. Per simulare un ambiente surriscaldato, il riscaldamento esterno è un metodo di prova comunemente utilizzato che può accelerare la simulazione del processo di abuso termico delle batterie al litio.

Tuttavia, la letteratura si concentra principalmente sulle caratteristiche di fuga termica e di combustione delle singole batterie agli ioni di litio in condizioni di surriscaldamento, mentre mancano ancora ricerche sull'abuso termico dei pacchi batteria modulari. Questo articolo utilizza un forno di riscaldamento per simulare il processo di abuso termico delle batterie adiacenti dopo la fuga termica del pacco batterie al litio 18650 ternario, analizza le caratteristiche di combustione e il comportamento al fuoco del pacco batterie al litio in diverse posizioni di riscaldamento e condizioni di potenza di riscaldamento, e fornisce una guida teorica e un supporto di dati per l'uso sicuro del pacco batterie agli ioni di litio 18650 ternario e lo sviluppo di una tecnologia di spegnimento efficiente.

1 Preparazione del test

1.1 Tipo di batteria

Questo articolo adotta come oggetto di ricerca un pacco batteria ternario agli ioni di litio, con una lunghezza di 240 mm, una larghezza di 220 mm, un'altezza di 85 mm e un peso di 7 kg. La tensione del pacco batterie durante il normale funzionamento è di 48 V, con una capacità nominale di 30 Ah. È composto da 156 (12 x 13) celle di batteria standard 18650, ciascuna con un'altezza di 65 mm e un diametro massimo di 18,4 mm. Prima del test, rimuovere l'imballaggio esterno del pacco batteria, poiché è realizzato in materiale ignifugo e non può incendiare la batteria al litio attraverso il riscaldamento esterno. Inoltre, i circuiti interni e il sistema di gestione della batteria rimangono invariati e lo stato di carica (SOC) della batteria è del 100%.

1.2 Layout del test

L'intero test è stato condotto in uno spazio confinato stretto, con una lunghezza di 12 metri, una larghezza di 2 metri e un'altezza di 2,4 metri, come mostrato nella Figura 2. Su entrambi i lati longitudinali dello spazio confinato sono presenti porte che rimangono chiuse durante il test.

Al centro del lato è installata una finestra di osservazione lunga 1,2 m e alta 0,6 m, mentre sul lato superiore della parete opposta è installato un aspiratore di fumo per mantenere la ventilazione durante il test. Un totale di 11 ugelli ad acqua nebulizzata sono installati sulla parte superiore dello spazio confinato, con un intervallo di 1 m tra gli ugelli, per condurre prove di spegnimento con acqua nebulizzata e servire come misure di riserva di spegnimento e raffreddamento per prevenire la combustione incontrollata durante gli incendi.

Posizionare il pacco batterie al litio orizzontalmente su una staffa con il polo positivo rivolto verso l'alto. La staffa è una struttura a rete che facilita il riscaldamento dalla parte inferiore della batteria. Nel test sono stati utilizzati due metodi di riscaldamento:

(1) Il forno di riscaldamento è situato sul fondo della batteria al litio e la superficie di riscaldamento del forno elettrico si trova a 8 cm di distanza dalla superficie inferiore della batteria. Il forno riscalda continuamente l'elettrodo negativo sulla superficie inferiore della cella della batteria;

(2) Il forno elettrico di riscaldamento è posizionato sul lato della batteria al litio, a 8 cm di distanza, e riscalda continuamente il lato della batteria. La superficie di riscaldamento effettiva del forno elettrico è lunga 12 cm, larga 12 cm e ha un'area di 144 cm ²， La potenza di riscaldamento è regolabile da 0 a 2000 W.

Il processo di utilizzo di una fonte di calore esterna per riscaldare la batteria al litio e provocarne l'accensione consiste nell'aprire il forno elettrico per un riscaldamento continuo fino a quando la batteria al litio prende fuoco, quindi spegnere l'alimentazione e interrompere il riscaldamento.

Nel test, all'interno del pacco batterie sono state disposte quattro coppie termiche blindate a forma di K (T 1, T 2, T 3, T 4), con un diametro di 1 mm. Le coppie termiche sono state posizionate al centro della cella della batteria, a 30 mm di distanza dal fondo, per raccogliere le variazioni di temperatura in diverse posizioni del pacco batteria. Tuttavia, per il riscaldamento del fondo e per quello laterale, la posizione della coppia termica non era la stessa. Inoltre, sulla parte anteriore è stata installata una telecamera ad alta definizione per registrare il processo di diffusione della combustione del pacco batteria.

1.3 Condizioni di prova

Sono stati condotti in totale 5 test. Il metodo di riscaldamento per le prove 1-3 è il riscaldamento dal basso, mentre per le prove 4 e 5 è stato utilizzato il riscaldamento laterale, principalmente per studiare l'influenza delle diverse posizioni di riscaldamento sulle caratteristiche di propagazione della combustione dei pacchi batteria al litio. Su questa base, è stata condotta una serie di prove di spegnimento, in particolare la prova 3, utilizzando acqua nebulizzata come metodo di spegnimento. Le prove 1 e 2 sono state ripetute utilizzando il metodo di riscaldamento dal basso. Inoltre, i test 3 e 5 hanno una potenza di riscaldamento maggiore di 2 kW rispetto agli altri tre gruppi, utilizzati per studiare i cambiamenti della temperatura interna e delle caratteristiche di combustione dei pacchi batterie al litio in condizioni di aumento della potenza della fonte di calore esterna.