Eksperimentaalne uuring gaasitootmise ja 280 Ah liitiumraudfosfaataku termilisest äravoolust põhjustatud leegi käitumise kohta

1. Uurimistöö taust

Energiapuudus ja keskkonnasaaste on peamised inimkonna ees seisvad probleemid ning uue energia väljatöötamine on muutunud ülemaailmseks uurimistööks. Liitiumioonakud, eriti liitiumraudfosfaat (LFP) akud, on nende jõudluse eeliste tõttu muutunud energia salvestamisel eelistatud akudeks. Elektrokeemilisi energiasalvestavaid (EES) elektrijaamu kasutatakse laialdaselt, kuid liitiumioonakude ohutusprobleemid on pälvinud palju tähelepanu. Praegu on ebapiisavalt mõistetud suure võimsusega liitiumraudfosfaatpatareide (280Ah) gaaside genereerimisel ja leekides tekkiva termilise äravoolu (TR) ohtudest. Selles uuringus uuriti 280AhLFP akude termilisi jooksvaid omadusi (soojuse vabanemise kiirus, põlemissoojus, aku pinnatemperatuur) ja gaasi tekkemustreid (gaasi tüübi ja koostise suhe), kasutades välist kuumutusmeetodit. Analüüsiti gaasi tekke karakteristikuid ja leegi makroskoopilist käitumist termilise jooksmise korral ning selgitati aku termilise põgenemise ja tuleohu evolutsiooniseadusi erinevates laadimisolekutes (SOC). Samuti uuriti SOC mõju aku termilise jooksmise iseloomulikele parameetritele. See uuring näitab LFP akude TR-käitumist EES-is 50% ja 100% SOC-ga, pakkudes võrdlusandmeid EES-i tulekahjude ennetamise ja hädaolukordadele reageerimise kavandamiseks.

2. Eksperimentaalne seadistus

2.1 Aku näide

Selles uuringus kasutati 280Ah liitiumioonakut, mille positiivse elektroodi materjalina oli liitiumraudfosfaat (LiFePO4) ja negatiivse elektroodi materjalina grafiit (C). Üksikasjalikud füüsilised parameetrid on toodud tabelis 1. Kasutage aku laadimiseks ja tühjendamiseks NFT-seadet NEWARECT-4004-5V20A. Tühjendage akut vooluga 20A, kuni väljalülituspinge jõuab 2,5 V-ni. Akut laaditakse konstantse voolu ja konstantse pinge režiimil, laadimisvooluga 20A ning väljalülitusvoolude ja pingetega 2,8A ja 3,65V. Enne testimist laadige aku täielikult (100% SOC) ja seejärel tühjendage aku soovitud laadimisolekuni vastavalt katsenõuetele.

2.2 Katseaparatuur ja -meetodid

2.2.1 Eksperimentaalne seadistamine

Joonisel 1 on näidatud töös kasutatud katseplatvorm, sealhulgas ISO9705 standardi järgi valmistatud põlemiskamber mõõtmetega 1,8m × 1,8m × 2m ja muud katseseadmed. Põlemiskambri ülemisel küljel on suitsu väljalaskekanal. Kõik katsed viidi läbi põlemiskambris.

2.2.2 Katsemeetodid

Kasutage 280 Ah liitiumraudfosfaat (LiFePO4) aku termilise väljavoolu tekitamiseks kuumutusplaati. Mõõtke aku pinnatemperatuuri K-tüüpi termopaari abil, mõõtke soojuseralduskiirust (HRR) TR-protsessi ajal, kasutades soojuse eraldumise kiiruse mõõteseadet, ja hankige integreerimise kaudu soojuse kogunemine. Kasutage gaasi koostise tuvastamiseks Fourier' teisenduse infrapunaspektromeetrit (FTIR-spektromeetrit) ja massimuutuste reaalajas kogumiseks kasutage Mettleri tasakaalu. Kui eraldub suur hulk suitsu, kasutage pihustatud elektrolüüdi ja põlevgaasi süütamiseks elektroonilist süüteseadet. Termopaarid on jaotatud aku küttepinnale ja tagapinnale (nagu on näidatud vastavalt joonisel 2, Tf ja Tb) ning mõõdetud temperatuur aku küljel ja temperatuur kaitseklapi avanemisasendis on tähistatud kui Ts ja Tup vastavalt. Asetage viis termopaari temperatuuri mõõtmiseks kaitseklapi kohale erinevatel kõrgustel, mis on 5 cm, 10 cm, 20 cm, 30 cm ja 40 cm kaugusel kaitseklapist.

3. Tulemused ja arutelu

3.1 Gaasi teke ja leegi käitumine TR-protsessi ajal

100% SOC juures tekitab aku TR-protsessi ajal märkimisväärset gaasi tootmist ja leegi käitumist, nagu on näidatud joonisel 3. Pärast kaitseklapi avanemist 0 sekundi pärast pihustub 1 sekundiga välja suur kogus elektrolüüti , mis põhjustab tuleohtlike ainete tõttu leegi värvi muutumist. 60 sekundi ja 175 sekundi pärast koges aku sees olevad kaks südamikku termiliselt, põhjustades kaks intensiivset gaasitootmist ja leegi pihustamise nähtust. See näitab, et kuigi gaasisüttimisel on termilisele äravooluprotsessile väike mõju, kestab kogu aku termilise äravoolu protsess umbes 240 sekundit ja selle riskid avalduvad peamiselt tugevas gaasitootmises ja reaktiivleekides. Suletud ruumis võib põlevate gaaside süttimine põhjustada plahvatusi, samas kui intensiivne leegi pihustamine võib põhjustada tõsist soojuskiirgust ümbritsevatele akudele ja keskkonnale.

3.2 Aku pinna temperatuuri termiline analüüs

Aku pinnatemperatuur on aku TR-protsessi hindamisel põhiparameeter. Joonisel 4 on näidatud aku pinnatemperatuuri muutused 50% SOC ja 100% SOC tingimustes. Joonistel 4 (a) ja (b) on kujutatud temperatuurimuutused gaasitootmise tingimustes, samas kui (c) ja (d) on näidatud temperatuurimuutused süttimistingimustes. Vaatlustulemused näitavad, et sama SOC-i korral on aku pinnatemperatuuri muutustel kahel tingimusel sarnased suundumused. Kuigi leegid ilmuvad aku kohale ja neil on teatav joa kiirus, on nende kiirgussoojusel piiratud otsene mõju aku pinnale, mistõttu gaasi põlemise mõju aku pinnatemperatuurile on suhteliselt väike. 50% SOC-ga akude puhul on termiline äravooluprotsess suhteliselt aeglane, nagu on näidatud joonisel 4 (a) ja (c). Gaasi tootmise tingimustes tõuseb aku küljel olev temperatuur kiiresti ja käivitab 3200 sekundi pärast termilise põgenemise, kusjuures kõrgeimad temperatuurid ulatuvad vastavalt 434,9 kraadini (ees) ja 307,3 kraadini C (taga). Süütetingimustes tõuseb temperatuur aku küljel järsult 3169 sekundiga, kusjuures kõrgeim temperatuur on veidi kõrgem kui gaasitootmise tingimus. Kõrgeim temperatuur esi- ja tagapinnal on vastavalt 475,9 kraadi C ja 319,6 kraadi C. Vahepeal analüüsiti ka aku pinge muutusi. Gaasi ja leegi tingimustes, kui 50% SOC-ga aku kogeb termilist äravoolu, väheneb selle pinge aeglaselt, umbes 400 sekundi jooksul. See näitab, et termilise äravoolu ajal on 50% SOC akude sisemine reaktsioonikiirus aeglasem ja termilise põgenemisprotsessi kestus on pikem.

Termilise jooksva protsessi regulaarsuskarakteristikute edasiseks analüüsimiseks on joonisel 5 kujutatud temperatuuri tõusu kiiruse ja aja, samuti temperatuuri ja temperatuuri tõusu kiiruse kõveraid. DT/dt tähistab temperatuuri tõusu kiirust. Lähtudes aku tagaküljel oleva temperatuuri tõusu kiirusest, kui temperatuuri tõusu kiirus ületab 0,5 kraadi C/s, määratletakse aku sees toimuv reaktsioon pöördumatuna. 50% SOC-ga aku puhul on temperatuuritõusu kestus üle 0,5 kraadi C/s 80 sekundit, 100% SOC-ga aku puhul aga 200 sekundit. Samal ajal on 100% SOC akude puhul ka termilise äravoolu tipptemperatuuri tõus kõrgem kui 50% SOC akude puhul. Temperatuurimuutuste kõvera ja dT/dt järgi võib aku termilise väljavoolu protsessi jagada neljaks etapiks: esimene etapp on kuumenemine, kusjuures temperatuuri tõusu kiirust hoitakse 0.{12}}.04 kraadi juures. C/s. Aku sisetemperatuur on madal ja soojusallikas kandub akule läbi soojendusplaadi. Teine etapp on termilise põgenemise algstaadium, kus temperatuuri tõusu kiirus tõuseb järk-järgult 1 kraadini C/s. Aku sees olev SEI-kile hakkab lagunema ja elektrolüüt aurustub elektrolüüdi auruks, põhjustades siserõhu tõusu ja kiirendades sisemisi reaktsioone. Kolmas etapp on termiline põgenemise staadium, kus sisemiste materjalide kiire reaktsioon tekitab suures koguses gaasi, mis väljendub suure hulga põlevsuitsu difusioonina välise süüteallika puudumisel ja süüteallika juuresolekul. leegid, väljendub see intensiivsete jugaleekidena. Neljas etapp on jahutamise etapp. Pärast aku termilise kontrolli kaotamist võib aku pinnatemperatuur ulatuda 500 kraadini C. Kuna aku on endiselt kõrgel temperatuuril, on teatud oht siiski olemas.

3.3 Gaasi tekitamise ja leegi temperatuuri analüüs

Joonisel 6 on näidatud 50% SOC ja 100% SOC akude gaasi temperatuurimuutused erinevatel kõrgustel gaasi genereerimise tingimustes. Aku pinnatemperatuuri analüüsides võib järeldada, et 50% SOC akude termiline läbijooksu kestus on pikem kui 100% SOC akude oma ning seda järeldust saab kontrollida ka gaasi temperatuurikõveras. Aeg, mil 50% SOC aku temperatuur on üle 50 kraadi C, kestab umbes 500 sekundit ja kõrgeim gaasitemperatuur 5 cm juures on suhteliselt madal, 173,2 kraadi C; 100% SOC akude kõrge temperatuuri kestus on lühem, kuid kõrgeim gaasitemperatuur 5 cm kõrgusel on kõrgem, ulatudes 325,7 kraadini C, mis on umbes kaks korda suurem kui 50% SOC akudel (nagu on näidatud joonisel 6 (b)). Põhjus on selles, et kõrgema SOC-ga akudel on intensiivsemad sisemised reaktsioonid, kiirem gaasi tekkekiirus ja lühem konvektiivne soojusülekandeaeg kõrge temperatuuriga gaasi ja ümbritseva keskkonna vahel. Konvektiivse soojusülekande toimel langeb temperatuur mõõtmispunktis aku kõrgusel järk-järgult ja gaasi temperatuur aku kaitseklapi lähedal on suhteliselt kõrge. Kui mõõtepunkt on aku kaitseklapist 50 cm kaugusel, ei ulatu 100% SOC aku tekitatud gaasi temperatuur 40 kraadini C.

Katse ajal mõõdeti nelja peamist gaasi, CO, CH4, C2H4 ja CO2, termilise jooksva protsessi käigus, kasutades Fourier' teisenduse infrapunaspektromeetrit. Leiti, et termilise põgenemise ajal tekkis kõige rohkem süsinikdioksiidi, palju suurem osakaal kui teistes gaasides, millele järgnesid süsinikmonooksiid, metaan, etüleen ja muud süsivesinikgaasid. Kuna seade ei suutnud mõõta gaasilist vesinikku, siis selle kontsentratsiooni ei analüüsitud. Lisaks moodustab nende nelja gaasi osakaalu analüüsi joonisel 6 (d) kohaselt süsinikdioksiid 51,2% ja süsinikmonooksiid 22,9%. Arvestades aga termilise äravooluprotsessi käigus tekkivat suurt hulka vesinikgaasi, ei ole joonisel 6 (d) näidatud süsinikdioksiidi osakaal kõigi gaasikomponentide osakaal. Tekkiva gaasi suure süttivuse tõttu on TR-i oht suurem. Seetõttu põhjustab termiline käitumine puhta gaasi tingimustes peamiselt toksilisust, lämbumist ja põlemisohtu.

Energiasalvestite tegeliku stsenaariumi korral tekivad tulekahjud sageli pärast seda, kui aku puudutab soojust TR, seega tuleks süüteoperatsioon läbi viia pärast aku kaitseklapi avamist ja analüüsida gaasi temperatuuri pärast süütamist. Nagu on näidatud joonisel 7, on viis temperatuuri mõõtmispunkti paigutatud vertikaalselt aku kohale, et mõõta leegi temperatuuri erinevatel kõrgustel. Pärast kaitseklapi avamist käivitatakse kohe süüde ja temperatuur tõuseb igas mõõtepunktis järsult. Aku sees toimuva termilise põgenemise tõttu tekib suur kogus gaasi ja kaitseklapi kohale ilmub äge joa tuli. Temperatuurikõveralt on näha, et kõrgeim temperatuur tekib esialgu 10cm kõrgusel ning 5cm ja 20cm kõrgusel on temperatuurid peaaegu samad. Termilise põgenemise hilisemas etapis leek väheneb järk-järgult ja kõrgeim temperatuur saavutatakse 5 cm kõrgusel, kusjuures gaas põleb stabiilselt kuni leek kustub. Võrreldes temperatuuriga gaasitootmise tingimustes, tõuseb aku kohal olev temperatuur pärast leegi ilmumist oluliselt, nagu on näidatud joonisel 7 (b). Aku kohal oleva leegi kõrgeim temperatuur 50% SOC juures võib ulatuda umbes 750 kraadini C ja 100% SOC juures on aku temperatuur veelgi kõrgem, tipptemperatuuriga üle 900 kraadi C (vt joonis 7 (b). ).

3.4 Kvaliteedi kadumise analüüs

Joonisel 8 on kujutatud 50% SOC ja 100% SOC akude kvaliteedi kadu ja kvaliteedi kadumise määr gaasitootmise tingimustes termilise äravoolu ajal. Enne kiiret kvaliteedi langust koges mõlemat tüüpi SOC-akude kvaliteet aeglast langust, mille kadu oli ligikaudu 100-200g. See aeglane laskumisprotsess on seotud aku kaitseklapi konstruktsiooniga. Kui aku siserõhk jõuab teatud tasemeni, vabastab kaitseklapp veidi survet. Kuna kaitseklapp on täielikult avatud, on selle protsessi käigus kvaliteedi kadu suhteliselt aeglane. Kui gaas aku sees suureneb, tõuseb siserõhk järk-järgult. Kui siserõhk jõuab kaitseklapi rõhupiirini, puruneb kaitseklapp, mille tulemusena pihustub välja suur kogus gaasi ja elektrolüüti, mille tulemuseks on massi lineaarne vähenemine, nagu on näidatud joonisel 8. Selle protsessi käigus paraneb kvaliteet kadu on ligikaudu 110 g/s.

Mitu südamikku aku sees põhjustas termilise äravoolu ajal kvaliteedi kadumise määra mitu piiki. 50% SOC akude sisemine reaktsioon on aeglane, mis vastab kahele väiksemale piigile vastavalt 2,3 g/s ja 1,25 g/s. Suhteliselt suure võimsuse tõttu kogevad 100% SOC-akud raskemaid termilisi äravooluprotsesse, mille maksimaalne massikadu on vastavalt 12,9 g/s ja 15,25 g/s, nagu on näidatud joonisel 8 (b). Lisaks esines 100% SOC akude puhul kaks väiksemat massikadu tippu termilise gaasitootmise protsessi käigus.

Joonisel 9 on näidatud massimuutus ja massikao kiirus termilise põgenemisprotsessi ajal leegi tingimustes. Termilise äravoolu protsess on üldiselt sama, mis gaasitootmise tingimustes, kuid kui kaitseklapp avatakse, on massikadu suhteliselt madal. Massi kadu, mis vastab 50% SOC-le ja 100% SOC-le, on vastavalt 69,9 g/s ja 92,9 g/s. Põhjus on selles, et süüteoperatsioon toimub kaitseklapi avamisel ning osa elektrolüütist ja gaasist ei pritsita täielikult välja, vaid põleb täielikult ära. Kuigi massikao kiirus on väike, ületab see siiski kaugelt kahest termilise jooksmise tippväärtusest (50% SOC leegi kaks tippväärtust on 2,05 g/s ja 1,2 g/s ning 100% SOC leegi kaks tippväärtust on 8,05 g/s ja 9,95 g/s, mõlemad madalamad kui massikadu kiirus gaasitootmise tingimustes). Võrreldes kogumassi kadu kahel tingimusel, võib järeldada, et massikadu leegi tingimustes on suurem kui gaasi tootmise tingimustes.

3.5. Soojuse eraldumise kiiruse analüüs

Pärast aku kaitseklapi avamist toimub süütamine. Hapnikutarbimise teooria kohaselt mõõdetakse aku soojuse vabanemise kiirust termilisel põlemisel nii, nagu on näidatud joonisel 10. 50% SOC aku puhul on soojuse vabanemise kiiruse esimene tipp pärast süütamist 57,107 kW. Katse ajal soojuse eraldumise kiiruse integreerimine annab põlemisel tekkiv kogusoojus 20,79 MJ. 100% SOC aku esimene maksimaalne soojuseralduskiirus pärast süütamist on 62,485 kW. Tänu kõrgele gaasitootmiskiirusele ulatub soojuse eraldumise tippkiirus termilise jooksmise tugevaimal hetkel 85,667 kW-ni, mis on palju suurem kui 50% SOC aku soojuseralduskiirus, nagu on näidatud joonisel 10 (b). Pärast kogu eksperimentaalse soojuseralduskiiruse integreerimist on põlemisel tekkiv kogusoojus 25,97 MJ. Ehkki 50% SOC akude termiline põlemisaeg ja leegi kestus on pikemad, on nende kogupõlemissoojus vaid 5,18 MJ väiksem kui 100% SOC akudel.

4. Järeldus

(1) SOC mõju akude pinnatemperatuurile on suurem kui leegide mõju. Gaasi ja leegi tingimustes on 100% SOC aku kõrgeim pinnatemperatuur termilise ülejooksu ajal kõrgem kui 50% SOC aku oma, samas kui sama SOC aku pinnatemperatuur gaasi ja leegi tingimustes on peaaegu sama.

(2) Leegi temperatuur on palju kõrgem kui gaasi tootmise temperatuur. 100% SOC-akude termilise äravoolu tekitatud gaasi temperatuur võib ulatuda 325,7 °C-ni, samas kui leegi tipptemperatuur võib ületada 900 °C. Pärast gaasisüttimist mõjutab see märkimisväärselt aku kohal ja ümber olevat keskkonda, mis peegeldub peamiselt kõrge temperatuuriga leekide kiirgusmõju keskkonnale. Välise tuleallika puudumisel võib suure gaasikoguse kogunemine põhjustada mürgistus-, lämbumis- ja plahvatusohtu.

(3) 50% SOC ja 100% SOC patareide puhul on maksimaalne massikadu gaasitootmise tingimustes suurem kui leegi tingimustes ning aku sisemine struktuur ja termiline äravooluprotsess määratakse maksimaalse massikadu määra alusel. . 100% SOC akude maksimaalne soojuseralduskiirus pärast termilist põlemist on suhteliselt kõrge, kuid 50% SOC akude termiline äravoolu kestus on pikem ja leek eksisteerib kauem. 50% SOC ja 100% SOC akude põlemisel eralduv kogusoojus erineb vaid 5,18 MJ.