实验研究了浸没冷却技术在锂离子电池热失控过程中去除热量和气体的效果

《Journal of Energy Storage》：Experimental investigation of immersion cooling in removing heat and gas from 26700 lithium-ion batteries during thermal runaway

锂离子电池热失控抑制研究中，通过对比三种浸渍液体（No.10变压器油、二甲基硅油、No.15液压油）和三种浸渍高度（0-75mm）对26700型LFP电池热-气行为的影响，发现二甲基硅油综合性能最优，其与空气自然对流相比使表面温度峰值下降72.9%，浸渍高度提升至75mm时，温度峰值下降69%，气体释放量减少90%以上。研究建立了评估浸渍液体抑制效果的模型，为电池热管理系统设计提供理论依据。

　　

王娅|郝彤|齐永武|傅洋洋

安徽合肥工业大学汽车与交通工程学院，中国合肥230009

摘要

浸没冷却（IC）在锂离子电池（LIBs）的热管理技术中脱颖而出，因其出色的散热性能。大多数研究关注IC对LIBs发热的影响，而很少有研究探讨浸没液类型和浸没高度对热失控（TR）过程中LIBs释放气体的影响。本研究系统地研究了三种浸没液体和三种浸没高度对26700型LIBs在TR过程中的热量和气体释放的影响。实验结果表明，10号变压器油和二甲基硅油的冷却性能相当，优于15号液压油。与自然空气对流冷却相比，浸没在10号变压器油和二甲基硅油中的LIBs的最大表面温度升高分别降低了73.4%和72.9%。二甲基硅油表现出最显著的气体抑制效果。此外，建立了一个模型来评估三种浸没液体对LIBs TR的抑制效果，其中二甲基硅油具有最佳的综合效果。进一步研究表明，当浸没高度从0毫米增加到75毫米时，最大表面温度降低了69%，质量损失减少了90%，EX、CO、H?、HF、CO?的峰值气体产量分别减少了100%、99%、99%、85%、36%。本研究为电化学储能系统和电动汽车中的浸没冷却应用提供了有价值的指导。

引言

锂离子电池（LIBs）由于其高能量密度、无记忆效应、长循环寿命和环保特性，已被广泛应用于电化学储能（ESS）系统和电动汽车（EVs）中[1]、[2]、[3]、[4]。LIBs的最佳工作温度范围为15–35°C[5]，温度差应小于5°C[6]。如果电池温度差过大或温度超过工作范围，可能会发生热失控（TR），导致有毒气体的释放，甚至引发火灾或爆炸[7]、[8]、[9]、[10]。这不仅威胁人身安全，还会对设备造成严重损坏并对环境造成污染[11]、[12]。因此，研究有效的热管理策略对于提高LIBs的安全性至关重要。

为了提高LIBs的安全性能，学者们研究了多种热管理技术，如空气冷却、液体冷却和相变材料冷却[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。尽管空气冷却简单、成本低廉且节能，但其传热效率较低，在高温工作条件下难以将电池温度维持在适当范围内[18]。相变材料冷却受其低导热性的限制，仅适用于特定的热负荷范围。此外，材料在相变后可能会失效[19]、[20]。液体冷却被认为是有效的LIBs热管理技术，因为它具有高导热性和比热容。根据液体与LIB之间的接触方式，液体冷却可分为直接液体冷却（DLC）和间接液体冷却（ILC）[21]、[22]。DLC也称为浸没冷却（IC）。IC具有优异的温度均匀性和更高的冷却效率，是LIBs最有前景的热管理技术之一[23]、[24]、[25]。

学者们已经证实IC对LIB TR有显著的抑制作用[26]、[27]。Bai等人[28]研究了浸没在10号变压器油中的LiFePO? LIBs的过充诱导TR特性，发现浸没条件下的电池冷却速率（0.143°C/s）远高于空气冷却下的速率（0.037°C/s）。Liu等人[29]研究了氟化冷却剂在LIB TR过程中的灭火性能，结果表明氟化冷却剂显著改变了LIB TR的峰值压力和峰值温度，其中2-溴-3,3,3-三氟丙烯对TR具有显著的抑制作用。然而，氟化冷却剂的高成本限制了其应用。Wu等人[30]通过模拟和实验验证了二甲基硅油浸没可以有效防止1865型NCM811 LIBs的TR传播。Li等人[31]研究了不同浸没液体（包括HFO-1336、BTP、C?F-ketone、HFE-7100和F7A）对过热引发的LIBs TR的抑制效果，结果显示最大表面温度（Tmax）低于TR触发温度，且未发生TR。Liu等人[32]研究了FS49氟化液体浸没对钉子穿刺引发的LIBs TR的抑制效果，结论是FS49可以同时抑制TR传播和气体产生。Chavan等人[33]比较分析了不同浸没液体（包括水、水-乙二醇混合物、Novec7000氟化液体、矿物油和硅油）对LIBs热性能的影响，结果表明硅油具有最佳的综合性能。Ye等人[34]和Zeng等人[35]评估了浸没高度对LIBs冷却效果的影响，观察到较高的浸没高度可以降低Tmax并延长安全阀开启时间（topen）。

总之，大多数研究关注浸没冷却对LIBs发热的影响，而很少有研究探讨浸没液类型和浸没高度对加热过程中LIBs释放气体的影响。然而，LIB释放的可燃气体可能在密闭空间内积聚，容易引发爆燃。LIB释放的有毒气体对人体健康构成威胁。

为了深入研究不同浸没液类型和浸没高度下LIBs的热学和气体特性，使用防爆装置对26700型圆柱形商用LFP LIBs进行了过热实验测试。详细分析了多个实验参数，包括表面温度、气体浓度（包括H?、HF、CO?、CO、EX（代表可燃烃类气体如C?H?、CH?等）和质量损失。此外，建立了一个模型来评估三种浸没液体在降低LIBs TR风险和气体浓度方面的有效性。实验结果可以为LIB热管理系统设计提供重要数据支持，并为浸没液的选择提供科学依据。

部分摘录

电池和浸没液样品

本实验使用的测试电池为商用26700型圆柱形LIBs，直径26毫米，高度70毫米。其正极材料为LiFePO?（LFP），负极由石墨组成。LIBs的主要技术参数见表1。在进行TR实验之前，使用恒定电流和恒定电压（CC-CV）以0.5C的充电率对LIBs进行充电

浸没液类型对LIBs热行为的影响

图2展示了非浸没组和三种浸没液组中LIBs的典型热行为。如图2所示，在所有情况下，LIBs的安全阀在加热过程中均开启，导致气体喷射现象。然而，在安全阀开启后，非浸没组的LIBs发生了TR并伴随燃烧和爆炸，而三个浸没组的LIBs仅释放了一定量的气体，没有发生TR或燃烧和爆炸

结论

本研究通过实验研究了不同浸没液体对LIBs TR的抑制效果，进一步探讨了浸没高度对LIBs热和气体特性的影响。得出以下结论：

(1)

在自然空气对流冷却条件下，LIBs发生了TR并伴随燃烧和爆炸，而三个浸没组的LIBs仅释放了一定量的气体，没有发生TR或燃烧和爆炸。10号变压器油的抑制效果最好

CRediT作者贡献声明

王娅：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、数据分析。郝彤：可视化、监督、数据分析。齐永武：可视化、监督、数据分析。傅洋洋：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：U2233202）的支持。