随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，开发和利用清洁能源和可再生能源势在必行。电化学储能是目前应用最广泛、最有潜力的电能存储技术。特别是，由于寿命长、能量密度高，锂离子电池在电化学储能系统中占据了主导地位。在电化学储能系统中，大容量方形磷酸铁锂电池被广泛应用，并且是在一定预紧力作用下形成电池模组。但是，预紧力对大容量方形磷酸铁锂电池的安全性影响目前仍不清楚。因此，本文研究了4种预紧力作用下280 Ah方形磷酸铁锂离子电池的热失控和产气行为。

中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室王青松课题组研究了280 Ah方形磷酸铁锂电池在0、3、6和9 kN预紧力作用下电池的热失控和排气行为，获取了锂离子电池热失控温度和安全阀打开时间等关键参数，并且构建了不同预紧力下电池热失控危害评估模型，评估了不同预紧力下大容量磷酸铁锂电池的危险性。

本文研究了4种预紧力作用下280 Ah方形磷酸铁锂电池的热失控和排气行为特征，得到的主要结论如下：

1）磷酸铁锂电池的安全阀开启时间随预紧力增加而降低。在0、3、6和9kN时，如图1所示，方形磷酸铁锂电池安全阀的开启时间分别是2751s、2682s、2623s和2552s，这是因为随着预紧力的增大，电池热失控过程中膨胀减小，电池内部压力更容易达到安全阀开启压力，安全阀更早开启。

图1 在不同的预紧力下温度和电压随时间变化情况

2）在热失控过程中，280 Ah方形磷酸铁锂电池有两个膨胀力的峰值，如图2所示，电池膨胀峰值与电池的气体排放压强峰值相对应，主要是由于方形磷酸铁锂电池内部的气体释放在电池内部的水平和竖直方向是同时扩散的，电池膨胀行为对泄压口气体排放压强有缓解作用。在9 kN预紧力作用时，方形磷酸铁锂电池的膨胀行为在热失控期间较小，对泄压口气体释放压强的缓解作用较小，气体释放压强较大。

图2 在不同的预紧力下膨胀力和气体释放压强随时间变化情况

3）通过分析电池在热失控过程中的气体成分和安全阀处泄压排气速度，在4个预紧力作用下，方形磷酸铁锂电池的释放气体成分占比顺序为CO2 > CO > CH4 > C2H4 > HCl，预紧力对气体成分占比的影响较小。但在6和9 kN预紧力作用下电池总气体量大约是0和3 kN的总气体量的2倍。对于产气速度，在0和9 kN预紧力作用下，电池的最大气体排放速度比在3和6 kN预紧力作用下更大。

图3 预紧力作用下磷酸铁锂电池产气分析。（a-d）不同预紧力作用下电池产气速度变化；（e）CO2、CO、CH4、C2H4和HCl总气体体积；（f）CO2、CO、CH4、C2H4和HCl气体成分百分比；（g）磷酸铁锂电池的气体释放总量；（h）热失控期间的窒息性气体评估

4）构建了热失控危险评估模型，比较了280 Ah方形磷酸铁锂电池在4个不同预紧力作用下的热失控危险性。通过雷达图比较分析，在3 kN预紧力作用时热失控危险性最小，在0和9 kN预紧力作用时热失控危险性最大。

图 4 不同预紧力下LFP电池的热失控危害的比较性评估

成果简介

预紧力对电池热失控影响--Applied Energy--贾壮壮--中国科大.pdf