Test di stabilità termica dei pacchi batteria al litio - Parte 2

Test di stabilità termica dei pacchi batteria al litio - Parte 2

2.1 Fenomeno di combustione

Quando viene riscaldato dal basso, il tipico processo di combustione dei pacchi batteria agli ioni di litio può essere approssimativamente suddiviso nelle seguenti sei fasi in base alla gravità della combustione.

(1) Fase di riscaldamento. Dopo che il forno di riscaldamento riscalda continuamente l'elettrodo negativo del pacco batteria al litio per un certo periodo di tempo, sulla superficie della batteria si forma gradualmente del fumo, parte del quale deriva dal danneggiamento dell'elettrodo positivo della cella della batteria al litio. Si può infatti vedere che il tappo dell'elettrodo positivo della cella della batteria viene lavato via dalla pressione dell'aria sul luogo dell'esperimento o nel video. Ciò indica che all'interno della batteria si è verificata una violenta reazione dovuta al continuo riscaldamento, che ha prodotto una grande quantità di gas, seguita da una piccola quantità di elettrolita che emerge dall'elettrodo positivo della batteria, come mostrato in (a).

(2) Fase di incendio. Nell'esperimento è stato osservato che la batteria produce una grande quantità di fumo prima dell'accensione, che contiene molti combustibili, tra cui quelli generati dalla reazione interna della batteria e quelli generati dalla decomposizione termica del materiale di imballaggio del pacco batteria. Dopo che il calore si è accumulato in una certa misura, si verifica l'accensione, come mostrato in (b).

(3) La fase di accensione. Nella condizione sperimentale di riscaldamento dal basso, la parte centrale della batteria al litio riceve il calore più concentrato, come mostrato nel riquadro rosso tratteggiato della Figura 4 (a). Pertanto, la parte centrale del pacco batteria inizia a prendere fuoco su un'ampia area, per poi diffondersi nelle zone circostanti. Anche il materiale all'interno della cella della batteria viene spruzzato fuori, come mostrato in (c).

(4) Fase di spruzzatura. Dopo che la superficie del pacco batterie al litio ha preso fuoco, la temperatura aumenta bruscamente, causando l'apertura delle valvole di sicurezza delle celle della batteria una per una, e quindi il gas combustibile viene spruzzato verso l'esterno, come mostrato in (d), accompagnato da schizzi di elettrolito ovunque, come mostrato in (e). In questa fase, un fenomeno evidente è l'intensa combustione e il suono di una violenta esplosione. Inoltre, le celle della batteria schizzano ovunque sotto la pressione interna, il che rende difficile raccogliere le variazioni di temperatura durante il test. La coppia termica predisposta prima del test è facilmente danneggiata o spostata da questa esplosione e non può garantire la misurazione in tempo reale delle variazioni di temperatura nello stesso punto.

(5) La fase di combustione complessiva. Quando le valvole di sicurezza della maggior parte delle celle delle batterie al litio vengono aperte, il pacco batterie al litio entra nella fase di combustione generale, dove l'altezza della fiamma è maggiore e il volume della fiamma è più grande, come mostrato in (f).

(6) Fase di attenuazione. Dopo che i materiali combustibili all'interno della batteria sono stati gradualmente consumati, l'incendio si spegne.

Quando il pacco batterie al litio viene riscaldato lateralmente, il processo di combustione è mostrato in figura e l'intera fase di combustione è approssimativamente simile alla condizione di riscaldamento dal basso, compresi accensione, accensione, iniezione e altri processi. Dal punto di vista del tempo di accensione, ad eccezione di una significativa riduzione del tempo di accensione nel test 2, i due metodi di riscaldamento descritti in questo articolo non hanno un impatto significativo sul tempo di accensione. Tuttavia, dopo aver raddoppiato la potenza, ad esempio da 1 kW a 2 kW, rispetto al Test 3 e al Test 1, e al Test 5 e al Test 4, a parità di posizione di riscaldamento, l'aumento della potenza riduce significativamente il tempo di accensione.

Come mostrato in (a), il lato del pacco batteria al litio viene riscaldato da una fonte di calore a radiazione esterna. Dopo un certo periodo di tempo, il pacco batteria più vicino alla fonte di calore prende fuoco per primo, come mostrato in (b), e poi brucia e si diffonde da destra a sinistra.

La valvola di sicurezza della cella della batteria vicina alla fiamma ad alta temperatura viene aperta, producendo fumo bianco, come mostrato in (c), accompagnato dal fenomeno dello schizzo di scintille, come mostrato in (d), che indica che l'elettrolito all'interno della cella della batteria viene spruzzato fuori. La fiamma sulla superficie del pacco batteria si spegne gradualmente durante il processo di propagazione, mentre all'interno della batteria non incendiata sono ancora in corso intense reazioni.

In questo momento si può osservare una grande quantità di fumo bianco, come mostrato in (f), che è il gas prodotto dalla reazione interna della cella della batteria. In presenza di temperature elevate, scintille o energia di accensione simile, la batteria si riaccende, come mostrato in (g), fino al completo spegnimento della fiamma. Dai risultati dei test si evince che quando il lato del pacco batterie al litio si surriscalda, l'intensità della combustione della batteria diminuisce gradualmente con l'aumentare della distanza e si verificano più volte riaccensioni intermittenti.

Durante l'uso, le celle della batteria al litio sono collegate in serie e in parallelo per formare un pacco batteria e ogni cella della batteria è gestita in modo intelligente attraverso un sistema di gestione della batteria (BMS). Dopo essere stato incendiato da una fonte di calore esterna, il pacco batteria subisce una combustione esplosiva e intensa. Alcune celle della batteria si staccheranno dal pacco batteria sotto la pressione generata dalle reazioni interne, schizzando ovunque e facendo traboccare il materiale del diaframma interno.

Grazie al design della valvola di sicurezza dell'elettrodo positivo della cella della batteria, quando il gas viene generato dalle reazioni chimiche interne, la pressione fuoriesce attraverso la valvola di sicurezza, riducendo così il rischio di danni alla parete esterna della cella della batteria causati dalla pressione interna.

Nel caso di un pacco batterie al litio, se una delle batterie subisce un'accensione per fuga termica o prende fuoco a causa di fattori esterni, le celle della batteria al litio circostanti saranno soggette al trasferimento di calore dalla parete, oppure i residui ad alta temperatura spruzzati fuori bruceranno, o ancora la radiazione termica generata da una fiamma libera incendierà le celle della batteria circostanti, espandendo ulteriormente l'area di accensione senza espandere istantaneamente l'incendio dovuto all'esplosione della parete. Ciò indica che, rispetto al lato di un pacco batteria al litio, la sua parte inferiore (elettrodo negativo) deve essere maggiormente protetta dal fuoco.

Il processo di propagazione della combustione dei pacchi di batterie al litio in condizioni di surriscaldamento cambia innanzitutto con la temperatura della batteria. Misurando le variazioni e la distribuzione della temperatura interna del pacco batterie, è possibile analizzare quantitativamente il comportamento al fuoco dei pacchi batterie al litio. Ciò è di grande importanza per controllare meglio l'incendio e sviluppare nuove ed efficienti tecnologie di spegnimento.

2.2 Distribuzione della temperatura

La variazione della temperatura interna di una batteria al litio quando viene riscaldata nella parte inferiore. Dai cambiamenti nella curva della storia della temperatura, si possono osservare tre diversi stadi dell'evoluzione del thermal runaway della batteria, il che è coerente con i risultati ottenuti dall'analisi dei fenomeni di combustione nella sezione precedente.

Durante la fase di riscaldamento, la temperatura aumenta lentamente e si può notare che la temperatura di T 1 aumenta più velocemente delle altre. La sua posizione misurata è proprio nell'area centrale del pacco batteria, dove riceve la maggior parte del calore. Dopo l'apertura della valvola di sicurezza positiva della cella della batteria, esce del fumo bianco, a indicare che all'interno della cella della batteria si sta verificando una violenta reazione che produce gas.

Mentre la temperatura continua a salire, il gas combustibile prodotto innesca l'accensione della cella della batteria. A questo punto, la curva della temperatura mostra una brusca virata verso l'alto. Al momento dell'accensione, la temperatura di T 1 è di circa 139 ℃ e, allo stesso tempo, la temperatura della posizione T 3 aumenta immediatamente, a causa della propagazione delle fiamme. Rispetto alle posizioni T 2 e T 3, la distanza in linea retta tra T 4 e T 1 è la più lontana. Se calcolata sulla base delle dimensioni massime della cella della batteria, l'intervallo tra T 4 e T 1 è di circa 99 mm, la differenza di tempo di accensione è di 89 s e la velocità di propagazione della combustione è di circa 1,1 mm/s.

Una volta che un pacco batterie al litio prende fuoco, si verificano fenomeni come la nebulizzazione e l'esplosione, durante i quali la temperatura continua a salire e alla fine entra nella fase di combustione generale. La temperatura massima di combustione del pacco batterie supera i 700 ℃.

Quando il lato del pacco batterie al litio viene riscaldato, la posizione di misurazione della coppia termica è stata regolata, da vicino a lontano rispetto alla posizione della fonte di calore della radiazione, e la tipica curva della storia della temperatura misurata nell'esperimento è stata regolata.

Rispetto alla condizione di riscaldamento inferiore, si notano alcune differenze significative nella distribuzione della temperatura quando viene riscaldato il lato del pacco batteria al litio. Sebbene si verifichino diversi picchi di temperatura, il che significa che in questo momento si trova in uno stato di combustione a fiamma libera, la distribuzione dei picchi di temperatura nel caso del riscaldamento dal basso si estende su un periodo di tempo più lungo. Ciò è dovuto principalmente al fatto che le condizioni di riscaldamento del pacco batterie al litio sono diverse nelle due diverse condizioni di lavoro.

Quando il fondo è riscaldato, l'elettrodo negativo della cella della batteria al litio è continuamente riscaldato e la maggior parte delle celle della batteria riscaldate direttamente accelerano le reazioni chimiche in un periodo di tempo più concentrato. Dopo aver perso il controllo del calore, prendono fuoco e alla fine presentano un fenomeno di combustione generale. Tuttavia, in caso di riscaldamento laterale, la posizione più lontana dalla fonte di calore, come la T 4, riceverà meno calore e la temperatura non aumenterà in modo significativo fino alla fine della combustione, soprattutto perché quando il pacco batteria viene riscaldato lateralmente, presenta un modello di diffusione della combustione da destra a sinistra, con fenomeni di spegnimento e riaccensione al centro. Senza un riscaldamento esterno continuo, è difficile che questa forma di combustione si diffonda in modo continuo.

Inoltre, si può osservare che la temperatura di accensione a T 1 durante l'accensione è di circa 90 ℃, più bassa rispetto a quando l'elettrodo negativo inferiore è riscaldato, e anche la temperatura più alta dopo l'accensione è di circa 550 ℃, che è significativamente più bassa rispetto a quando il fondo è riscaldato. I risultati dell'analisi della temperatura indicano che, rispetto al riscaldamento laterale, l'elettrodo negativo sul fondo del pacco batterie al litio subisce una combustione più severa a causa della fuga termica quando viene riscaldato, che si manifesta in particolare con un'area di diffusione della combustione più ampia e una temperatura di fiamma più elevata.

Le variazioni di temperatura nella condizione di lavoro 3, rispetto alla condizione di lavoro 1, sono tutte dovute al riscaldamento del fondo, con la differenza che la potenza di riscaldamento è aumentata a 2 kW. Allo stesso tempo, nel bel mezzo della combustione, viene attivata la nebulizzazione dell'acqua per spegnere l'incendio e testare la capacità di soppressione e raffreddamento del fuoco. Si può osservare che, con l'aumento della potenza di riscaldamento, il tempo di accensione si allunga. La ragione è ovvia. Più alto è il calore esterno ricevuto, più intensa sarà la reazione chimica all'interno della cella della batteria e la fuga termica porterà a un tempo di accensione più breve.

Tuttavia, durante l'accensione, non è stata riscontrata una differenza significativa di temperatura tra T 1 e le condizioni operative di potenza inferiore, ma piuttosto tra 120 e 139 ℃. Inoltre, le temperature nelle posizioni T 2, T 3 e T 4 nella condizione operativa 3 sono inferiori a quelle con una potenza di riscaldamento di 1 kW. Ciò potrebbe indicare che, sotto l'influenza del calore delle radiazioni esterne, il pacco batterie al litio si incendia e brucia solo quando la temperatura sale a un determinato intervallo.

Va sottolineato che le temperature di accensione elencate nella Tabella 2 potrebbero non essere la temperatura minima di accensione ottenuta a causa dei punti di raccolta limitati. Tuttavia, questo dimostra in qualche modo la necessità di monitorare in tempo reale le variazioni di temperatura per ogni cella della batteria attraverso un sistema di gestione della batteria. Impostando una soglia di temperatura, una volta che l'aumento della temperatura locale del pacco batterie al litio supera questo valore, verranno avviate misure di avvertimento e prevenzione per evitare che l'intero pacco batterie prenda fuoco a causa del runaway termico.

L'intera durata della combustione è di 218 s, dall'inizio dell'accensione a t=780 s all'inizio della nebulizzazione dell'acqua a t=998 s. Dopo l'attivazione della nebulizzazione dell'acqua per spegnere l'incendio, la temperatura a T 3 e T 4 scende rapidamente. Dopo una nebulizzazione continua per 30 s, la temperatura scende sotto i 100 ℃. Dopo l'interruzione della nebulizzazione, non si verifica alcuna nuova combustione. I risultati sperimentali dimostrano che l'acqua nebulizzata può sopprimere efficacemente l'incendio, raffreddarlo e impedirne la riaccensione.

Rispetto all'estinzione a gas, l'acqua nebulizzata può essere un buon mezzo di estinzione in grado di raffreddare continuamente le batterie agli ioni di litio in fiamme. Tuttavia, va notato che nelle applicazioni pratiche le macchie d'acqua generate dall'acqua nebulizzata possono causare danni estesi alle apparecchiature e danni secondari. Inoltre, l'acqua nebulizzata con un grande diametro delle gocce può anche causare cortocircuiti o scariche della batteria, esacerbando la fuga termica e aumentando la portata degli incendi. La base di queste applicazioni specifiche è costituita da dati sperimentali, per cui è necessario condurre ulteriori esperimenti di spegnimento su larga scala, in particolare su scala reale, per studiare le caratteristiche di combustione dei pacchi di batterie al litio e testare l'efficacia dei diversi metodi di spegnimento.

3 Conclusioni

In questo articolo sono stati condotti test di combustione su pacchi di batterie ternarie 18650 agli ioni di litio indotti dal riscaldamento e sono state tratte le seguenti conclusioni.

(1) Rispetto al surriscaldamento laterale, quando l'elettrodo negativo sul fondo di un pacco batteria al litio si surriscalda, il grado di combustione è più grave e la batteria spruzza e brucia continuamente. Nel caso del surriscaldamento laterale, l'intensità della combustione nei pacchi batterie al litio si attenua con l'aumentare della distanza dalla fonte di calore e si verificano molteplici fenomeni di riaccensione intermittente. Inoltre, l'aumento della potenza della fonte di calore riduce il tempo di accensione dei pacchi batteria al litio e aumenta l'intensità della combustione.

(2) I risultati dei test mostrano che la temperatura di fuga termica dell'elettrodo negativo inferiore del pacco batterie al litio ternario è compresa tra 120~139 ℃ quando si surriscalda. In queste condizioni, la temperatura massima di combustione aumenterà con l'aumentare della potenza della fonte di calore e la temperatura massima può raggiungere gli 800 ℃.

(3) L'applicazione di acqua nebulizzata sul pacco batterie al litio in fiamme può sopprimere efficacemente l'incendio e ridurre la temperatura. Una nebulizzazione continua può ridurre la temperatura della batteria al di sotto della temperatura critica senza riaccendersi. Ciò indica che l'acqua nebulizzata può essere un metodo di spegnimento efficace per gli incendi di batterie agli ioni di litio, ma la sua applicazione può comportare danni secondari come l'inquinamento dell'acqua e la scarica di cortocircuito, richiedendo un'attenta selezione in base alle esigenze di spegnimento.