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Prüfung der thermischen Stabilität von Lithium-Batteriepacks - Teil 2

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Prüfung der thermischen Stabilität von Lithium-Batteriepacks - Teil 2

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2.1 Verbrennungsphänomen

Der typische Verbrennungsprozess von Lithium-Ionen-Akkus, die von unten erhitzt werden, kann grob in die folgenden sechs Phasen unterteilt werden, die sich nach dem Schweregrad der Verbrennung richten.

(1) Aufheizphase. Nachdem der Heizofen die negative Elektrode des Lithium-Batteriepacks eine Zeit lang kontinuierlich erhitzt hat, bildet sich allmählich Rauch auf der Oberfläche der Batterie, der zum Teil von der Beschädigung der positiven Elektrode der Lithium-Batteriezelle herrührt. Man kann nämlich sehen, wie die Kappe der positiven Elektrode der Batteriezelle durch den Luftdruck am Versuchsort oder im Video weggespült wird. Dies deutet darauf hin, dass im Inneren der Batterie aufgrund der kontinuierlichen Erhitzung eine heftige Reaktion stattgefunden hat, bei der eine große Menge Gas entstanden ist, gefolgt von einer kleinen Menge Elektrolyt, die aus der positiven Elektrode der Batterie austrat, wie in (a) gezeigt.

(2) Brandphase. Bei dem Versuch wurde festgestellt, dass die Batterie vor der Entzündung eine große Menge Rauch erzeugt, der viele brennbare Stoffe enthält, darunter solche, die bei der internen Reaktion der Batterie entstehen, sowie solche, die bei der thermischen Zersetzung des Verpackungsmaterials des Batteriepacks entstehen. Nachdem sich die Wärme bis zu einem gewissen Grad angesammelt hat, kommt es zur Zündung, wie in (b) gezeigt.

(3) Die Phase der Zündung. Unter der Versuchsbedingung der Erwärmung von unten erhält der mittlere Teil der Lithiumbatterie die größte Wärmekonzentration, wie in dem rot gestrichelten Kasten in Abbildung 4 (a) dargestellt. Daher entzündet sich der mittlere Teil des Batteriesatzes zunächst auf einer großen Fläche und breitet sich dann auf die umliegenden Bereiche aus. Das Material im Inneren der Batteriezelle wird ebenfalls herausgespritzt, wie in (c) dargestellt.

(4) Sprühphase. Nachdem die Oberfläche des Lithium-Batteriepacks Feuer gefangen hat, steigt die Temperatur stark an, was dazu führt, dass die Sicherheitsventile der Batteriezellen nacheinander geöffnet werden, und dann wird brennbares Gas nach außen gesprüht, wie in (d) gezeigt, begleitet von dem Spritzen von Elektrolyt überall, wie in (e) gezeigt. In diesem Stadium sind eine intensive Verbrennung und heftige Explosionsgeräusche zu hören. Die Batteriezellen spritzen auch unter dem Innendruck überall hin, was es schwierig macht, die Temperaturänderungen während des Tests zu erfassen. Die vor der Prüfung angebrachten Thermoelemente werden durch die Explosion leicht beschädigt oder verschoben und können keine Echtzeitmessung der Temperaturänderungen an derselben Stelle gewährleisten.

(5) Die gesamte Verbrennungsphase. Wenn die Sicherheitsventile der meisten Lithiumbatteriezellen geöffnet werden, tritt die Lithiumbatterie in die allgemeine Verbrennungsphase ein, in der die Flammenhöhe höher und das Flammenvolumen größer ist, wie in (f) gezeigt.

(6) Abschwächungsphase. Nachdem die brennbaren Materialien im Inneren der Batterie allmählich verbrannt sind, erlischt das Feuer.

Wenn die Lithiumbatterie von der Seite beheizt wird, ist der Verbrennungsprozess in der Abbildung dargestellt, und die gesamte Verbrennungsphase ist in etwa vergleichbar mit der Beheizung von unten, einschließlich Zündung, Zündung, Injektion und anderer Prozesse. Was die Zündzeit betrifft, so haben die beiden Heizmethoden in diesem Artikel, abgesehen von einer erheblichen Verkürzung der Zündzeit in Test 2, keinen signifikanten Einfluss auf die Zündzeit. Nach einer Verdoppelung der Leistung, z. B. von 1 kW auf 2 kW, im Vergleich zu Test 3 und Test 1 sowie Test 5 und Test 4, bei gleicher Heizposition, verkürzt eine Leistungserhöhung jedoch die Zündzeit erheblich.

Wie in (a) dargestellt, wird die Seite des Lithium-Batteriepacks durch eine externe Strahlungswärmequelle erhitzt. Nach einer gewissen Zeit fängt die Batterie, die der Wärmequelle am nächsten ist, zuerst Feuer, wie in (b) gezeigt, und brennt dann und breitet sich von rechts nach links aus.

Das Sicherheitsventil der Batteriezelle, die sich in der Nähe der Hochtemperaturflamme befindet, wird aufgedrückt, wodurch weißer Rauch entsteht, wie in (c) gezeigt, begleitet von Funkenflug, wie in (d) gezeigt. Die Flamme an der Oberfläche des Akkupacks erlischt allmählich während des Ausbreitungsprozesses, während die nicht entzündete Batterie im Inneren noch intensive Reaktionen durchläuft.

Zu diesem Zeitpunkt ist eine große Menge an weißem Rauch zu beobachten, wie in (f) dargestellt, bei dem es sich um das Gas handelt, das durch die interne Reaktion der Batteriezelle entsteht. Bei hohen Temperaturen, Funken oder ähnlicher Zündenergie entzündet sich die Batterie erneut, wie in (g) gezeigt, bis die Flamme vollständig erloschen ist. Aus den Testergebnissen geht hervor, dass die Intensität der Batterieverbrennung mit zunehmender Entfernung allmählich abnimmt, wenn die Seite des Lithiumbatteriesatzes überhitzt, und dass es mehrmals zu einer intermittierenden Wiederzündung kommt.

Lithium-Batteriezellen werden in Reihe und parallel geschaltet, um während der Nutzung ein Batteriepaket zu bilden, und jede Batteriezelle wird durch ein Batteriemanagementsystem (BMS) intelligent verwaltet. Nach der Entzündung durch eine externe Strahlungswärmequelle kommt es zu einer explosiven und intensiven Verbrennung des Akkupacks. Einige Akkuzellen lösen sich unter dem durch die internen Reaktionen erzeugten Druck aus dem Akkupack und spritzen überall hin, und auch das interne Membranmaterial läuft über.

Aufgrund der Konstruktion des Sicherheitsventils der positiven Elektrode der Batteriezelle entweicht der Druck durch das Sicherheitsventil, wenn durch interne chemische Reaktionen Gas erzeugt wird, wodurch das Risiko einer Beschädigung der Außenwand der Batteriezelle durch internen Druck verringert wird.

Wenn bei einem Lithium-Batterie-Pack eine der Batterien eine thermische Durchzündung erfährt oder durch äußere Einflüsse Feuer fängt, werden die umliegenden Lithium-Batteriezellen der Wärmeübertragung von der Wand ausgesetzt, oder der herausgespritzte Hochtemperaturrückstand verbrennt, oder die durch eine offene Flamme erzeugte Wärmestrahlung entzündet die umliegenden Batteriezellen, wodurch der Zündbereich weiter ausgedehnt wird, ohne dass sich das Feuer durch die Wandexplosion sofort ausbreitet. Dies zeigt, dass die Unterseite (negative Elektrode) einer Lithiumbatterie im Vergleich zur Seite besser vor Feuer geschützt werden muss.

Der Prozess der Brandausbreitung von Lithium-Batteriepacks unter überhitzten Bedingungen ändert sich zunächst mit der Batterietemperatur. Durch die Messung der Veränderungen und der Verteilung der internen Temperatur im Batteriepack kann das Brandverhalten von Lithium-Batteriepacks quantitativ analysiert werden. Dies ist von großer Bedeutung für eine bessere Kontrolle des Brandes und die Entwicklung neuer und effizienter Feuerlöschtechnologien.

2.2 Temperaturverteilung

Die Veränderung der Innentemperatur eines Lithium-Batterie-Packs bei Erwärmung am Boden. Anhand der Veränderungen in der Temperaturverlaufskurve lassen sich drei verschiedene Stadien der Entwicklung des thermischen Durchgehens der Batterie erkennen, was mit den Ergebnissen der Analyse der Verbrennungsphänomene im vorherigen Abschnitt übereinstimmt.

Während der Aufheizphase steigt die Temperatur langsam an, und es ist zu erkennen, dass die Temperatur von T 1 schneller ansteigt als andere. Seine gemessene Position befindet sich genau im mittleren Bereich des Batteriepacks, wo er die meiste Wärme erhält. Nach dem Öffnen des positiven Sicherheitsventils der Batteriezelle tritt weißer Rauch aus, was darauf hindeutet, dass im Inneren der Batteriezelle eine heftige Reaktion abläuft, bei der Gas entsteht.

Wenn die Temperatur weiter ansteigt, löst das entstehende brennbare Gas die Zündung der Batteriezelle aus. Zu diesem Zeitpunkt zeigt die Temperaturkurve einen scharfen Wendepunkt nach oben. Zum Zeitpunkt der Zündung beträgt die Temperatur an T 1 etwa 139 ℃, und gleichzeitig steigt die Temperatur an der Position T 3 sofort an, was auf die Ausbreitung der Flammen zurückzuführen ist. Im Vergleich zu den Positionen T 2 und T 3 ist der geradlinige Abstand zwischen T 4 und T 1 am weitesten. Wenn man die maximale Größe der Batteriezelle zugrunde legt, beträgt der Abstand zwischen T 4 und T 1 etwa 99 mm, die Zündzeitdifferenz 89 s und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flammen etwa 1,1 mm/s.

Nachdem ein Lithium-Batteriepack Feuer gefangen hat, kommt es zu Phänomenen wie Spritzen und Explosion, während derer die Temperatur weiter ansteigt und schließlich in das Stadium der Gesamtverbrennung übergeht. Die maximale Verbrennungstemperatur des Batteriesatzes übersteigt 700 ℃.

Wenn die Seite des Lithium-Batteriepacks erwärmt wird, wurde die Messposition des Wärmepaars angepasst und von nah nach fern relativ zur Position der Strahlungswärmequelle angeordnet, und die im Experiment gemessene typische Temperaturverlaufskurve wurde angepasst.

Im Vergleich zur Beheizung der Unterseite gibt es einige signifikante Unterschiede in der Temperaturverteilung, wenn die Seite des Lithium-Batterie-Packs beheizt wird. Obwohl es mehrere Temperaturspitzen gibt, was bedeutet, dass sich die Batterie zu diesem Zeitpunkt in einem Verbrennungszustand mit offener Flamme befindet, erstreckt sich die Verteilung der Temperaturspitzen bei der Bodenheizung über einen längeren Zeitraum. Dies liegt vor allem daran, dass die Erwärmungsbedingungen des Lithium-Batterie-Packs unter den beiden verschiedenen Arbeitsbedingungen unterschiedlich sind.

Bei der Erwärmung des Bodens wird die negative Elektrode der Lithium-Batteriezelle kontinuierlich erwärmt, und die meisten direkt erwärmten Batteriezellen beschleunigen die chemischen Reaktionen innerhalb eines konzentrierteren Zeitraums. Nachdem sie die Kontrolle über die Hitze verloren haben, fangen sie Feuer und zeigen schließlich ein Phänomen der allgemeinen Verbrennung. Bei einer seitlichen Erhitzung wird jedoch die weiter von der Wärmequelle entfernte Position, z. B. T 4, weniger Wärme erhalten, und die Temperatur wird bis zum Ende der Verbrennung nicht wesentlich ansteigen. Ohne kontinuierliche externe Beheizung ist es bei dieser Verbrennungsform schwierig, eine kontinuierliche Verbrennungsausbreitung zu erreichen.

Darüber hinaus kann beobachtet werden, dass die Zündtemperatur bei T 1 während der Zündung etwa 90 ℃ beträgt, was niedriger ist als bei der Beheizung der unteren negativen Elektrode, und die höchste Temperatur nach der Zündung liegt ebenfalls bei etwa 550 ℃, was deutlich niedriger ist als bei der Beheizung der unteren Elektrode. Die Ergebnisse der obigen Temperaturanalyse deuten darauf hin, dass die negative Elektrode an der Unterseite des Lithium-Batteriepacks im Vergleich zur seitlichen Erwärmung eine schwerere Verbrennung aufgrund eines thermischen Durchgehens erfährt, was sich insbesondere in einer größeren Verbrennungsfläche und einer höheren Flammentemperatur äußert.

Die Temperaturänderungen in Arbeitsbedingung 3 sind im Vergleich zu Arbeitsbedingung 1 alle auf die Bodenheizung zurückzuführen, mit dem Unterschied, dass die Heizleistung auf 2 kW erhöht wurde. Gleichzeitig wird in der Mitte der Verbrennung der Wassernebel eingeschaltet, um das Feuer zu löschen und seine Fähigkeit zur Brandbekämpfung und Kühlung zu testen. Es ist zu beobachten, dass sich mit zunehmender Heizleistung die Zündzeit verlängert. Der Grund dafür ist offensichtlich. Je höher die von außen zugeführte Wärme ist, desto intensiver ist die chemische Reaktion im Inneren der Batteriezelle, und das thermische Durchgehen führt zu einer kürzeren Zündzeit.

Während der Zündung gab es jedoch keinen signifikanten Temperaturunterschied zwischen T 1 und den Betriebsbedingungen mit geringerer Leistung, sondern eher zwischen 120 und 139 ℃. Darüber hinaus sind die Temperaturen an den Positionen T 2, T 3 und T 4 im Betriebszustand 3 niedriger als bei einer Heizleistung von 1 kW. Dies könnte darauf hindeuten, dass sich der Lithium-Batterie-Pack unter dem Einfluss der externen Strahlungswärme erst dann entzündet und brennt, wenn die Temperatur in einen bestimmten Bereich ansteigt.

Es ist darauf hinzuweisen, dass die in Tabelle 2 aufgeführten Zündtemperaturen aufgrund der begrenzten Erfassungspunkte möglicherweise nicht die Mindestzündtemperatur sind. Dies kann jedoch bis zu einem gewissen Grad die Notwendigkeit der Echtzeitüberwachung von Temperaturanstiegsänderungen für jede Batteriezelle durch ein Batteriemanagementsystem verdeutlichen. Sobald der lokale Temperaturanstieg des Lithium-Batteriepacks diesen Wert überschreitet, werden durch die Festlegung eines Temperaturschwellenwerts Warn- und Präventionsmaßnahmen eingeleitet, um zu verhindern, dass der gesamte Batteriepack aufgrund eines thermischen Durchgehens in Brand gerät.

Die gesamte Dauer der Verbrennung beträgt 218 s vom Beginn der Zündung bei t=780 s bis zum Beginn des Wassernebels bei t=998 s. Nachdem der Wassernebel zum Löschen des Feuers eingeschaltet wurde, sinkt die Temperatur bei T 3 und T 4 schnell. Nach 30 s kontinuierlichem Sprühen fällt die Temperatur unter 100 ℃. Nach Beendigung des Sprühnebels kommt es zu keiner erneuten Verbrennung. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass Wassernebel das Feuer wirksam unterdrücken, abkühlen und ein Wiederaufflammen verhindern kann.

Im Vergleich zur Brandbekämpfung mit Gas kann Wassernebel ein gutes Löschmittel sein, das brennende Lithium-Ionen-Batterien kontinuierlich abkühlen kann. In der Praxis ist jedoch zu beachten, dass Wasserflecken, die durch Wassernebel entstehen, erhebliche Schäden an der Ausrüstung und Folgeschäden verursachen können. Außerdem kann Wassernebel mit einem großen Tröpfchendurchmesser Kurzschlüsse oder eine Entladung der Batterie verursachen, was den thermischen Durchschlag verschlimmert und das Ausmaß des Brandes vergrößert. Daher muss die spezifische Auswahl der Feuerlöschmethoden auf der Grundlage des Feuerlöschobjekts analysiert werden. Und die Grundlage für diese spezifischen Anwendungen sind experimentelle Daten. Daher ist es sehr wichtig, weitere Löschversuche in größerem Maßstab, insbesondere in Originalgröße, durchzuführen, um die Verbrennungseigenschaften von Lithiumbatterien zu untersuchen und die Wirksamkeit der verschiedenen Löschmethoden zu testen.

3 Schlussfolgerung

In diesem Artikel wurden Verbrennungsversuche an ternären 18650 Lithium-Ionen-Batteriepacks durchgeführt, die durch Erhitzung ausgelöst wurden, und es wurden folgende Schlussfolgerungen gezogen

(1) Im Vergleich zur seitlichen Überhitzung ist der Grad der Verbrennung bei einer Überhitzung der negativen Elektrode an der Unterseite eines Lithium-Batteriepacks stärker, und die Batterie spritzt und brennt kontinuierlich. Bei seitlicher Überhitzung wird die Intensität der Verbrennung in Lithium-Batteriepacks mit zunehmender Entfernung von der Wärmequelle schwächer, und es kommt zu mehreren intermittierenden Wiederzündungen. Darüber hinaus verkürzt eine Erhöhung der Leistung der Wärmequelle die Zündzeit der Lithium-Batteriepacks und erhöht ihre Verbrennungsintensität.

(2) Die Testergebnisse zeigen, dass die thermische Durchbruchstemperatur der unteren negativen Elektrode des ternären Lithium-Batteriepacks zwischen 120 und 139 °C liegt, wenn sie überhitzt. Unter diesen Bedingungen steigt die maximale Verbrennungstemperatur mit der Erhöhung der Wärmequellenleistung, und die maximale Temperatur kann 800 ℃ erreichen.

(3) Die Anwendung von reinem Wassernebel auf die brennende Lithiumbatterie kann das Feuer wirksam unterdrücken und die Temperatur senken. Kontinuierliches Sprühen kann die Batterietemperatur unter die kritische Temperatur senken, ohne dass es zu einer erneuten Entzündung kommt. Dies deutet darauf hin, dass Wassernebel eine wirksame Feuerlöschmethode für Brände von Lithium-Ionen-Batterien sein kann, aber seine Anwendung kann Sekundärschäden wie Wasserverschmutzung und Kurzschlussentladung mit sich bringen, was eine sorgfältige Auswahl auf der Grundlage der Feuerlöschanforderungen erfordert.