大容量磷酸鐵鋰電池熱失控期間電解液相變吸熱與噴發(fā)研究匯報人：王佩犇中國農(nóng)業(yè)大學工學院&清華大學電池安全實驗室指導老師：江發(fā)潮徐成善馮旭寧?yyyyANSYS,

Inc.目錄1.

背景與意義2.測試與機理3.機理與建模4.

結果與討論5.

總結1.背景與意義

磷酸鐵鋰電池在車輛與儲能領域廣泛應用，其發(fā)展趨勢趨于大容量化23Ah

LFP280Ah

LFP磷酸鐵鋰電池趨于大容量化磷酸鐵鋰電池車用動力電池的主力之一磷酸鐵鋰電池國內(nèi)儲能指定類型電池

新能源汽車

儲能電站1.背景與意義

磷酸鐵鋰電池使用期間的安全問題不容忽視。電池熱失控將有可能帶來一系列的火災風險，威脅人民的生命與財產(chǎn)安全2024年7月武漢新能源車燃燒2023年9月廣東珠海儲能柜2024年5月海南儲能電站1.背景與意義

小容量LFP電池與大容量LFP電池，單體電池的電解液含量存在顯著差異

熱失控噴發(fā)持續(xù)時長同樣存在顯著差異名稱數(shù)值數(shù)值容量23Ah280Ah電池質(zhì)量433.1

g5424.0

g電解液質(zhì)量91.2

g(21.0%）1112

g(20.5%）噴發(fā)時長228s843s23Ah280Ah電解液含量

/g91.21112噴發(fā)時長

/s228843單體電池的電解液含量提高了12.2倍噴發(fā)持續(xù)時間提高了3.7倍280A

h23A

h1.背景與意義

各大企業(yè)非常重視磷酸鐵鋰電池的安全問題，企業(yè)與課題組開展了多個LFP電池的安全項目先有電解液沸騰蒸發(fā)，再有Pack內(nèi)部電解液蒸汽/氣溶膠的冷凝與拉弧因此選擇：聚焦電池內(nèi)電解液相變，建立考慮電解液相變吸熱的儲能電池熱失控模型大容量磷酸鐵鋰電池熱失控噴發(fā)大量電解液蒸汽氣溶膠在

LFP

電池包內(nèi)電解液蒸汽氣溶膠發(fā)生冷凝在

LFP

電池包內(nèi)電解液蒸汽氣溶膠誘發(fā)拉弧電解液

沸騰蒸發(fā)

儲能Pack熱失控殘骸電解液冷凝

儲能LFP電池熱失控噴發(fā)電解液拉弧

電解液誘發(fā)電池包拉弧1.背景與意義

沸騰是指液體受熱超過其飽和溫度時，在液體內(nèi)部和表面同時發(fā)生劇烈汽化的現(xiàn)象，不同液體的沸點不同。即使同一液體，它的沸點也要隨外界的大氣壓強的改變而改變。

[1][1]https://baike.baidu.com/item/沸騰/33117電解液沸騰水沸騰1.背景與意義

經(jīng)典的液體沸騰研究有實驗觀測法與數(shù)值模擬法

電池中電解液沸騰研究很少，部分學者建立了考慮電解液沸騰吸熱的集總模型[1]Yuhao,Z

et

a

l.,

(2024).

International

Communications

in

Heat

and

Mass

Transfer158

(2024)

107926[2]

Lihao,

H

et

al.,

(2016).

Heat

and

Mass

Transfer52:1343一1357[3]Coman,

P

et

al.,

(2016).

Journal

of

Power

Sources,307,

56一62.針對18650電池建立了零維模型，用于分析電解液沸騰蒸發(fā)對熱失控的影響

18650考慮電解液沸騰的熱失控研究[3]

液體沸騰研究數(shù)值模擬[1]實驗觀測[2]目錄1.

背景與意義2.測試與機理3.機理與建模4.

結果與討論5.

總結State、5State

3

State

4State、2背面State

1State

3安全閥開啟氣體膨脹1.測試與機理

磷酸鐵鋰電池熱失控物理過程定壓狀態(tài)

開放系統(tǒng)定容狀態(tài)

封閉系統(tǒng)State2

外部加熱State

1正常狀態(tài)State4持續(xù)降溫State

5熱失控溫度背面時間正面正面同步的內(nèi)部壓力測試結果外部加熱：內(nèi)部氣壓升高定容狀態(tài)電解液受熱飽和蒸汽壓上升開閥瞬間：電池側面降溫殼體內(nèi)氣體體積膨脹殼體內(nèi)：氣泡生成與破裂并伴隨白色煙霧定壓狀態(tài)卷芯內(nèi)電解液發(fā)生沸騰蒸發(fā)1.測試與機理 State4持續(xù)降

溫

磷酸鐵鋰電池熱失控物理過程State

3安全閥開啟State2

外部加熱State

5熱失控殼體內(nèi)電解液沸騰State

5\State4同步的內(nèi)部壓力測試結果State

3State

21.測試與機理

電解液沸騰是由于：安全閥開啟后，定容時的過熱電解液達到了定壓下的沸點，發(fā)生沸騰，引起降溫目錄1.

背景與意義2.測試與機理3.機理與建模4.

結果與討論5.

總結內(nèi)壓與溫度實驗關聯(lián)式。氣壓實驗結果平滑處理

內(nèi)壓與溫度實驗關聯(lián)式氣壓與時間函數(shù)：氣壓與溫度函數(shù)：3.機理與建模

安全閥開啟前，電解液受熱飽和蒸汽壓上升不同溫升速率下Arrhenius方程結果與電解液DSC實驗結果對比開閥后，達到沸點的電解液沸騰：查表，卷芯局部的溫度≥

電解液沸騰溫度，以最大的反應物濃度衰減速率下降開閥后，未達到沸點的電解液蒸發(fā)：查表，卷芯局部的溫度

＜電解液沸騰溫度，則該局部的電解液濃度按照動力學方程的結果下降

電解液輸運方程源項：

能量方程源項：局部過熱電解液出現(xiàn)沸騰非過熱區(qū)域電解液開始蒸發(fā)

安全閥開啟后，過熱狀態(tài)電解液發(fā)生沸騰蒸發(fā)3.機理與建模15假設氣體生成速率與電解液汽化速率成正比，氣體從電池內(nèi)部卷芯上下表面噴出能量，動量，質(zhì)量守恒方程：卷芯上表面噴氣：卷芯1與卷芯3下表面噴氣：卷芯噴發(fā)溫度：電池內(nèi)部某一位置到達熱失控閾值溫度，則急速釋放熱失控能量能量守恒方程：能量守恒方程源項：3.機理與建模

熱失控產(chǎn)熱建模原理

卷芯噴氣建模原理3.機理與建模

計算對象幾何結構與網(wǎng)格劃分LFP280Ah

實物圖結構圖網(wǎng)格圖

主要的二次開發(fā)宏static

voidLoad_Inputs(void)導入產(chǎn)熱與汽化數(shù)據(jù)DEFINE_EXECUTE_AT_END(AT_END_AIR)開閥前內(nèi)部氣壓計算DEFINE_EXECUTE_AT_END(AT_END_JR)卷芯產(chǎn)熱釋能統(tǒng)計DEFINE_SOURCE(JR,c,t,

dS,eqn)卷芯熱失控源項DEFINE_UDS_UNSTEADY(UDS_Cele_trn,c,t,i,apu,su)電解液輸運方程瞬態(tài)項DEFINE_SOURCE(UDS_Cele_source,c,t,dS,eqn)電解液輸運方程源項DEFINE_PROFILE(Massflow,t,i)噴發(fā)邊界項3.機理與建模對ANSYS

Fluent進行二次開發(fā)將熱失控產(chǎn)熱、

產(chǎn)氣方程與噴發(fā)行為寫入軟件

模型求解流程目錄1.

背景與意義2.測試與機理3.機理與建模4.

結果與討論5.

總結電池安全閥開啟，電解液沸騰降溫'\4.結果與討論

側向加熱實驗，用于仿真計算結果對標4.1模型驗證-溫度

熱失控模型可以模擬出磷酸鐵鋰電池安全閥開啟后的電解液相變引起的降溫過程

安全閥開啟后，電池正面中心實驗與模型的最大降溫相差7℃厚度方向0

mm泄壓降溫區(qū)隨厚度方向增加而減弱厚度方向71

mm電解液相變吸熱降溫隨電池厚度方向距離增加而降溫效果減弱背面中心正面中心電池中心位置厚度方向仿真溫度實驗與模型結果對比熱電偶布置位置電解液沸騰降溫質(zhì)量守恒4.2模型驗證-質(zhì)量

電解液沸騰質(zhì)量變化過程使用失重實驗結果驗證

電解液濃度分數(shù)變化與電池失重結果具有相似性，間接驗證電解液由液態(tài)轉為氣態(tài)的傳質(zhì)過程電池質(zhì)量變化

(g)電解液蒸汽/氣溶膠液體電解液受熱時間

(s)平均電解液分數(shù)

(-)質(zhì)量傳感器相變4.3模型驗證-電解液相變過程

安全閥開啟后，過熱電解液發(fā)生沸騰。熱失控的發(fā)展促進電解液的沸騰過程

模型可以模擬出失控區(qū)，過渡區(qū)以及沸騰區(qū)L3L2L1

殘骸區(qū)

L0[1]Jinetal.

In

situobservationofthermal

runaway

propagation

in

lithium-ion

batteryelectrodestriggered

by

high-frequency

induction

heating.

CRPS.

2023沸騰區(qū)./過渡區(qū)

熱失控前鋒面原位觀測[1]

沸騰區(qū)

電解液沸騰界面失控區(qū)過渡區(qū)失控區(qū)4.4模型驗證-熱失控噴發(fā)

對電池熱失控噴發(fā)進行了模型，具體包括安全開啟時的氣體絕熱膨脹，以及熱失控穩(wěn)定噴發(fā)階段的噴發(fā)形貌安全閥開啟瞬時氣體絕熱膨脹熱失控穩(wěn)定噴發(fā)階段-實驗熱失控穩(wěn)定噴發(fā)階段-模型4.5模型分析-電池內(nèi)氣流流動傳熱

仿真結果：側向加熱下安全閥開啟前，電池殼體內(nèi)氣流加熱卷芯，最大傳熱功率為40W

電池熱失控后，由卷芯加熱氣體，最大傳熱功率約為44-61W

熱失控期間，安全閥噴發(fā)的熱流功率約650-800WElectrolytefraction內(nèi)部氣體加熱卷芯Electrolytefraction殼體內(nèi)部熱失控氣流流動

殼體內(nèi)氣流傳熱安全閥泄壓傳熱卷芯加熱內(nèi)部氣體安全閥泄壓熱流4.6模型分析-電解液輸運方程擴散項

擴散項系數(shù)：描述卷芯局部區(qū)域，電解液發(fā)生沸騰蒸發(fā)時的擴散

電解液輸運方程擴散項影響沸騰蒸發(fā)吸熱過程，代表電解液在卷芯局部的滲透性

電解液輸運方程擴散項系數(shù)越小，沸騰蒸發(fā)擴散能力越弱，熱失控提前擴散項系數(shù)變小熱失控提前熱失控前相變電解液減少擴散項系數(shù)變小4.7模型分析-防爆閥開啟壓力

仿真結果表明：低的開啟壓力下導致電解液相變提前，電池正面溫度降低，但電池熱失控提前正面溫度降低熱失控提前開閥壓力降低目錄1.

背景與意義2.測試與機理3.機理與建模4.

結果與討論5.

總結通過研究，電解液在全電池卷芯內(nèi)部的沸騰蒸發(fā)吸熱行為很重要。影響熱失控期間的電池溫度。

機理：發(fā)現(xiàn)了LFP電池安全閥開啟后泄壓降溫是由電池自身物理狀態(tài)改變導致的。

電池定容過程下的過熱電解液在定壓狀態(tài)下發(fā)生了沸騰與蒸發(fā)，導致了電池降溫；

模型：提出了電池內(nèi)壓-溫度實驗關聯(lián)式以及電解液沸騰蒸發(fā)吸熱方程。前者用于預測電池內(nèi)部氣壓，后者用于計算三維的電解液吸熱行為；

設計：電解液在卷芯內(nèi)局部滲透性不宜過差，過差可能導致熱失控提前。安全閥開啟壓力不應過低，過低同樣會導致熱失控提前；工作發(fā)表在

EnergyConversionand

Management