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文章導(dǎo)讀

近期，來自清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)的王賀武、張亞軍等人利用nac高速攝像機(jī)（型號(hào)：ACS-1），以“鋰離子動(dòng)力電池中等荷電狀態(tài)下熱失控產(chǎn)物噴發(fā)過程研究”為題深入研究了NCM622電池在中等SOC下熱失控vent爆開、內(nèi)容物噴射過程，進(jìn)一步加深了對(duì)電池?zé)崾Э氐恼J(rèn)識(shí)。成果發(fā)表在最近的《儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)》上。

研究背景

由于防爆閥爆開時(shí)電池內(nèi)部壓力非常大，電池?zé)崾Э剡^程極為迅猛，通過普通的攝像機(jī)記錄無法了解其詳細(xì)過程。故此次研究采用武漢中創(chuàng)聯(lián)達(dá)科技有限公司提供的日本nac高速攝像機(jī)（型號(hào)：ACS-1）對(duì)整個(gè)現(xiàn)象進(jìn)行視頻記錄。

圖文解析

一般來說，電池在內(nèi)短路和過充、加熱等極端條件下存在熱失控風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于方形動(dòng)力電池，除了爆炸等極端案例，熱失控其他常見的現(xiàn)象為防爆閥爆開、大量煙霧和火焰從防爆閥口噴出。

此次研究的對(duì)象為方形動(dòng)力電池，其組成包含有fuse(熔斷絲)、OverchargeSafety Device（過充保護(hù)裝置）和vent（防爆閥)三大安全設(shè)計(jì)要素。

電池采用NCM622/的石墨體系，具體實(shí)驗(yàn)所用的方形動(dòng)力電池信息如下表1所示：

圖1.簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

高速攝像機(jī)在輔助光源幫助下對(duì)電池?zé)崾Э貒姲l(fā)過程進(jìn)行拍攝，攝像機(jī)最大拍攝幀率為20萬幀/秒。

為了避免電池?zé)崾Э乜赡茉斐傻膬x器損壞和噴發(fā)物燃燒、爆炸問題，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套耐高壓的密閉實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)電池?zé)崾Э貒姲l(fā)過程進(jìn)行研究（如圖1所示）。

圖2.由防爆閥噴出的射流的輪廓變化過程

注：上圖（圖2）為噴射流分別在0.26ms、0.80ms、3.20ms、16.0ms、400.0ms的灰度圖像（相對(duì)時(shí)間），下圖為經(jīng)過濾波等處理后的輪廓圖像。

能夠看到噴射流一開始從防爆閥兩側(cè)流出時(shí)，外輪廓為帶狀，隨后在上方形成上面小下面大的錐形外輪廓。

接著，隨著時(shí)間的推移，噴射流外輪廓變成無定型，隨后又變成上大下小的倒錐形，最后慢慢消失。

圖2展示的是在400ms內(nèi)噴射流的演變過程，從外輪廓的變化可以看到噴射流的波動(dòng)，通過該波動(dòng)可以看出噴射過程并不穩(wěn)定。

圖3.相態(tài)的演變過程

圖3給出了噴射流灰度圖像的演變過程，灰度值的變化反映了流體性質(zhì)包括相態(tài)的改變。

在噴發(fā)過程中，射流段灰度值總體上呈現(xiàn)出先減小后增加再減小的趨勢(shì)。隨著電池溫度升高，電池內(nèi)部壓力在電解液蒸氣與內(nèi)部產(chǎn)氣的共同作用下逐漸達(dá)到vent開啟壓力。此時(shí)，受制于電解液飽和蒸氣壓的限制，電池內(nèi)部電解液主要存在形式為液態(tài)。

上圖（圖3）整個(gè)噴發(fā)過程中射流出現(xiàn)了氣、液、固三種相態(tài)，由此可以得出，鋰離子電池?zé)崾Э禺a(chǎn)物噴射是一種復(fù)雜的多相的瞬態(tài)射流。

圖4.ven啟動(dòng)過程

vent（防爆閥）是方形電池中的重要安全結(jié)構(gòu)件，了解其微觀啟動(dòng)過程可以更好地對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在電池內(nèi)部不斷升高的壓力作用下，vent先在一側(cè)打開，另外一側(cè)與電池還保持連接狀態(tài)。從vent剛剛打開（圖4a）到vent大部分打開（圖4d），歷經(jīng)了0.4ms的時(shí)間。

在此過程中，覆蓋在電池安全釋放閥上方的透明防塵保護(hù)塑料薄膜已有變形，這是由于來自電池傳熱、熱氣流的加熱作用。在初期噴射流的壓力作用下，保護(hù)膜中心位置變形顯著，呈現(xiàn)球型凸起，隨著壓力的升高和變形的加劇，保護(hù)膜完全脫離電池安全釋放閥表面，并在氣流的作用下與電池本體剝離（圖4d）。

參考文獻(xiàn)

李成、王賀武，張亞軍，歐陽明高，李偉峰�！朵囯x子動(dòng)力電池中等荷電狀態(tài)下熱失控產(chǎn)物噴發(fā)過程研究》儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)。

    武漢中創(chuàng)聯(lián)達(dá)科技有限公司（nac品牌中國(guó)區(qū)總代理）深耕高速攝像領(lǐng)域二十年，有豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，和完善的售后。面向汽車、軍工、航空航天、科研教育等行業(yè)。產(chǎn)品有高速攝像機(jī)、ICCD超高速相機(jī)、像增強(qiáng)器；高速運(yùn)動(dòng)圖像分析、彈道追蹤軟件；PIV粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)、DIC應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)；便攜式紋影儀、眼動(dòng)儀等。