大型磷酸铁锂电池高温热失控模拟研究

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0249

储能科学与技术 ›› 2021, Vol. 10 ›› Issue (1): 202-209.doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0249

大型磷酸铁锂电池高温热失控模拟研究

梅文昕¹(), 段强领¹, 王青山^2,³, 李妍^2,³, 李欣⁴, 朱金大⁴, 王青松¹()

^1.中国科学技术大学，安徽合肥 230026
^2.国网江苏省电力有限公司经济技术研究院，江苏南京 210008
^3.国网江苏省电力有限公司，江苏南京 210024
^4.国网电力科学研究院有限公司，江苏南京 211000

收稿日期:2020-07-15 修回日期:2020-09-10 出版日期:2021-01-05 发布日期:2021-01-08
通讯作者: 王青松 E-mail:heart@mail.ustc.edu.cn;pinew@ustc.edu.cn
作者简介:梅文昕（1995—），女，博士研究生，主要从事锂离子电池电化学-热-应力耦合模型的模拟研究，E-mail:heart@mail.ustc.edu.cn；
基金资助:
国家电网公司总部科技项目(5400-201940486A-0-0-00)

Thermal runaway simulation of large-scale lithium iron phosphate battery at elevated temperatures

Wenxin MEI¹(), Qiangling DUAN¹, Qingshan WANG^2,³, Yan LI^2,³, Xin LI⁴, Jinda ZHU⁴, Qingsong WANG¹()

^1.University of Science and Technology of China, Hefei 230026, Anhui, China
^2.Economic and Technological Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co. Ltd. , Nanjing 210008, Jiangsu, China
^3.State Grid Jiangsu Electric Power Co. Ltd. , Nanjing 210024, Jiangsu, China
^4.State Grid Electric Power Research Institute Co. Ltd, Nanjing 211000, Jiangsu, China

Received:2020-07-15 Revised:2020-09-10 Online:2021-01-05 Published:2021-01-08
Contact: Qingsong WANG E-mail:heart@mail.ustc.edu.cn;pinew@ustc.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

高温是触发锂离子电池热失控的最直接原因，因此研究锂离子电池在高温加热中的热失控特征及其内在机制至关重要。本文选取109 A·h大型磷酸铁锂电池为研究对象，在COMSOL Multiphysics中建立了6种不同温度下(140 ℃、145 ℃、150 ℃、155 ℃、160 ℃、165 ℃)的烘箱热失控模型，模拟分析了电池在高温加热条件下的热失控特征和温度分布。研究结果表明在140 ℃和145 ℃时电池未发生热失控，其他工况下电池均发生热失控，且环境温度越高，电池发生热失控的时间越早，温升速率加快。此外，通过对热失控各副反应分解浓度分析得知，未发生热失控情况下只发生了SEI膜和负极的分解反应，而正极与电解液的反应是造成电池热失控的主要诱因。最后通过对比发生热失控和未发生热失控情况下电池的温度分布，发现未发生热失控条件下电池温度分布均匀，而发生热失控时电池温度均匀性变差。同时发现高环境温度下电池的热失控更为剧烈，温度分布极不均匀，且在热失控前后温度分布变化较快，预计电池材料发生的不可逆分解反应是导致电池损坏的主要原因。

关键词: 锂离子电池安全, 磷酸铁锂, 高温热失控模型, 副反应, 温度分布

Abstract:

Elevated temperature is the most direct trigger of thermal runaway in lithium-ion batteries, so it is crucial to study the thermal runaway characteristics and mechanism of lithium-ion batteries at elevated temperatures. This paper presents the study of 109 A·h large-scale lithium iron phosphate power batteries, and an oven thermal runaway model at six different temperatures (140 ℃, 145 ℃, 150 ℃, 155 ℃, 160 ℃, 165 ℃) is presented via COMSOL Multiphysics software to simulate the thermal runaway characteristics and temperature distribution of the battery under high temperatures. The studies showed that the battery does not trigger thermal runaway at temperatures of 140 ℃ and 145 ℃, but does trigger thermal runaway at higher temperatures. The higher the oven temperature, the earlier the thermal runaway occurs, and the rate of temperature rise is also accelerated. Through the analysis of the decomposition concentration of each side reaction in the thermal runaway, it is observed that only the decomposition of the solid electrolyte interphase layer and anode occurred in the non-thermal runaway cases. The reaction between the cathode and the electrolyte is the main cause of thermal runaway. Finally, by comparing the thermal runaway cases with the non-thermal runaway cases, it was found that the temperature distribution of the battery is uniform in the case of a non-thermal runaway, while the temperature uniformity is poor in the case of a thermal runaway. At higher temperatures, the thermal runaway of the battery is more severe, where the temperature distribution is extremely uneven and changes rapidly before and after thermal runaway. In such thermal runaways, it is predicted that the electrode materials have undergone irreversible decomposition leading to battery damage.

Key words: lithium ion battery safety, lithium iron phosphate, oven thermal runaway model, side reaction, temperature distribution

中图分类号:

TM 912

梅文昕, 段强领, 王青山, 李妍, 李欣, 朱金大, 王青松. 大型磷酸铁锂电池高温热失控模拟研究[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(1): 202-209.

Wenxin MEI, Qiangling DUAN, Qingshan WANG, Yan LI, Xin LI, Jinda ZHU, Qingsong WANG. Thermal runaway simulation of large-scale lithium iron phosphate battery at elevated temperatures[J]. Energy Storage Science and Technology, 2021, 10(1): 202-209.

图/表 10

图1

图2

表1

热失控模型参数"

参数	符号(单位)	负极	SEI	正极	电解液	来源
活化能 /J·mol^-1	E_a	1.3508E5	1.3508E5	1.396E5	2.74E5	[7]
指前因子/s^-1	A	2.5E13	1.667E15	6.667E13	5.14E25	[7]
化学反应生成焓/J·g^-1	H	1714	257	314	155	[7]
各组分质量/g	m	102	102	240	112	a
归一化浓度初始值	c₀	0.75	0.15	0.04	1	[8]
密度/kg·m^-3	$ρ$	2600				[9]
比热容 /J·(kg·K)^-1	$C p$	1100				[9]
导热系数 /W·(m·K)^-1	$λ$	$λ x = λ z = 21$ , $λ y = 1.1$				[9]
对流换热系数 /W·(m^-2·K^-1)	$h$	8.7				[10]
辐射率	$ε$	0.8				[10]

表1

图3

图4

图5

表2

图6

图7

图8

参考文献 10

1	羡学磊, 董海斌, 张少禹, 等. 三元锂离子动力电池热失控及火灾特性研究[J]. 储能科学与技术, 2020, 9(1): 239-248.
	XIAN Xuelei, DONG Haibin, ZHANG Shaoyu, et al. Thermal runaway and fire characteristics of NCM lithium-ion power battery[J]. Energy Storage Science and Technology, 2020, 9(1): 239-248.
2	WANG Q, MAO B, STOLIAROV S I, 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.
3	杜光超, 郑莉莉, 张志超, 等. 圆柱形高镍三元锂离子电池高温热失控实验研究[J]. 储能科学与技术, 2020, 9(1): 249-256.
	DU Guangchao, ZHENG Lili, ZHANG Zhichao, et al. Experimental study on high temperature thermal runaway of cylindrical high nickel ternary lithium-ion batteries[J]. Energy Storage Science and Technology, 2020, 9(1): 249-256.
4	黄文才, 胡广地, 邓宇翔, 等. 锂离子电池的高温热失控模拟[J]. 电池, 2019, 49(3): 204-207.
	HUANG Wencai, HU Guangdi, DENG Yuxiang, et al. Analysis on high temperature thermal runaway simulation of Li-ion battery[J]. Battery Bimonthly, 2019, 49(3): 204-207.
5	RICHARD M, DAHN J. Accelerating rate calorimetry study on the thermal stability of lithium intercalated graphite in electrolyte. I. Experimental[J]. Journal of the Electrochemical Society, 1999, 146 (6): 2068-2077.
6	MEI W, CHEN H, SUN J, et al. The effect of electrode design parameters on battery performance and optimization of electrode thickness based on the electrochemical-thermal coupling model[J]. Sustainable Energy & Fuels. 2019, 3: 148-165.
7	KIM G H, PESARAN A, SPOTNITZ R. A three-dimensional thermal abuse model for lithium-ion cells[J]. Journal of Power Sources, 2007, 170 (2): 476-489.
8	HATCHARD T D, MACNEIL D D, BASU A, et al. Thermal model of cylindrical and prismatic lithium-ion cells[J]. Journal of the Electrochemical Society, 2001, 148 (7): A755-A761.
9	冯旭宁. 车用锂离子动力电池热失控诱发与扩展机理、建模与防控[D]. 北京: 清华大学, 2016.
	FENG Xuning. Thermal runaway initiation and propagation of lithium-ion traction battery for electric vehicle: Test, modeling and prevention[D]. Beijing: Tsinghua University, 2016.
10	GUO G F, LONG B, CHENG B, et al. Three-dimensional thermal finite element modeling of lithium-ion battery in thermal abuse application[J]. Journal of Power Sources. 2010, 195 (8): 2393-2398.

烘箱温度/℃	140	145	150	155	160	165
电池最高温度/℃	150	162	208	229	240	247
电池最高温度对应时间/s	6095	5175	4635	3610	3030	2655

[1]	张肖洒, 王宏源, 李振彪, 夏志美. 废旧磷酸铁锂电池电极材料的硫酸化焙烧-水浸新工艺[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2066-2074.
[2]	周伟, 符冬菊, 刘伟峰, 陈建军, 胡照, 曾燮榕. 废旧磷酸铁锂动力电池回收利用研究进展[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(6): 1854-1864.
[3]	于春辉, 何姿颖, 张晨曦, 林贤清, 肖哲熙, 魏飞. 硅基负极与电解液化学反应的分析与抑制策略[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(6): 1749-1759.
[4]	李磊, 李钊, 姬丹, 牛慧昌. 过充电触发的LFP和NCM锂离子电池的热失控行为：差异与原因[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(5): 1419-1427.
[5]	王瑄, 叶强. 全钒液流电池电堆局部供液不足导致副反应加剧的现象[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(5): 1455-1467.
[6]	赵尚玉, 张震, 王宝源, 曾驱虎. 一种可工程化检测磷酸铁锂电池问题的方法[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(2): 643-651.
[7]	谢卓衡, 王子阳, 张刚, 辜振宁, 石晓龙, 姚斌. 全氟己酮及细水雾灭火装置对大容量三元锂离子电池的灭火实验[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(2): 652-659.
[8]	冯晓晗, 孙杰, 何健豪, 魏义华, 周成冈, 孙睿敏. 磷酸铁锂正极材料改性研究进展[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(2): 467-486.
[9]	马天翼, 王伟哲, 林春景, 白广利, 韦振, 刘仕强. 磷酸铁锂电池多阶段利用可行性[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(1): 119-126.
[10]	王子璇, 李俊成, 李金东, 易娟, 石霖, 吴旭. 废磷酸铁锂正极材料资源化回收工艺[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(1): 45-52.
[11]	李志浩, 彭浩, 陈亚琴. 质子交换膜燃料电池膜电极组件温度分布的神经网络预测模型[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(6): 2053-2059.
[12]	刘范芬, 陈诚, 朱智渊, 张伟康, 吕正中. N/P比对磷酸铁锂电池性能的影响[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(4): 1325-1329.
[13]	刘晓梅, 姚斌, 谢乐琼, 胡乔, 王莉, 何向明. 磷酸铁锂动力电池常温循环衰减机理分析[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(4): 1338-1343.
[14]	胡银全, 刘和平. 基于遗传算法的电池包高效热管理流道优化[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(4): 1446-1453.
[15]	黎可, 穆居易, 金翼, 许佳佳, 刘鹏杰, 王青松, 李煌. 磷酸铁锂电池火灾危险性[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(3): 1177-1186.

大型磷酸铁锂电池高温热失控模拟研究

Thermal runaway simulation of large-scale lithium iron phosphate battery at elevated temperatures

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 10

参考文献 10

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价