锂离子电池与其它传统二次电池相比具有比能高、功率性能出色等优势。因而,锂离子电池逐渐拓展于动力领域,如新能源汽车和游船。然而安全性问题成为阻碍锂离子电池在动力应用的主要原因之一。热失控传播阻断技术能阻断热失控从失控单体向周围单体传播,以将锂离子电池安全问题对电池组的损害、人员的伤害,以及附带的破坏作用降至最低。本论文通过实验研究了锂离子电池的热失控传播特性,探索了热失控传播阻断方法,主要包括以下研究内容:

    1)研究了开放体系和封闭绝热体系下,锂离子电池的热失控传播特性,研究结果表明开放体系下锂离子电池热失控不易传播;而封闭绝热环境,由于单体产生的热量难以散发到环境中,单体爆炸所产生的火焰与喷射出的电芯物质对周围单体产生更大的影响,因而热失控容易传播。

    2)研究了封闭绝热体系下,不同单体容量、不同单体间隔距离下的热失控传播特性。研究表明相同单体容量下,单体间隔距离越大,热失控越难传播;相同间隔距离下,容量越大的单体爆炸产生更多能量、喷射出更多电芯物质,且过温耐受性差,因而越容易发生热失控传播。

    3)确定了在不使用任何热失控传播阻断方法时,不同容量单体成组所能达到的最大安全体积比能。研究表明,相比大容量单体,小容量单体成组后的最大安全比能更高。

    4)研究了不同隔热材料以不同的隔热方式对锂离子电池热失控传播的阻断作用。研究表明单体间设置气凝胶隔热板能阻断单体爆炸喷射出的电芯物质对其它单体影响,并削弱了热辐射、对流作用,从而能较好阻断单体间热失控传播;单体表面包覆隔热材料能全面阻断单体间通过连接片的热传导,并大幅削弱热辐射和对流的作用,也能阻止热失控的传播。

    5)研究了阀喷通道对锂离子电池热失控传播的阻断作用,研究结果表明阀喷通道能阻断锂离子电池爆炸产生的火焰与阀喷电芯物质对周围单体影响,从而阻断热失控的传播。

    6)研究了液氮喷淋冷却时机和位置因素对热失控传播的阻断作用。发现锂离子电池热失控时,及时对该电池或周围单体淋洒液氮冷却,可以降低爆炸单体温度,减少了爆炸单体传递给周围单体的热量,并且液氮产生的低温、惰性气氛瞬间可以熄灭爆炸火焰,阻断火焰的传热。液氮还能冷却爆炸单体喷射出的电芯物质,削弱电芯物质对周围单体的传热,从而阻断热失控的传播。