中創聯達助力清華團隊電池研究項目！
文章導讀
近期，來自清華大學團隊的王賀武、張亞軍等人利用nac高速攝像機（型號：ACS-1），以“鋰離子動力電池中等荷電狀態下熱失控產物噴發過程研究”為題深入研究了NCM622電池在中等SOC下熱失控vent爆開、內容物噴射過程，進一步加深了對電池熱失控的認識。成果發表在最近的《儲能科學與技術》上。
研究背景
由于防爆閥爆開時電池內部壓力非常大，電池熱失控過程極為迅猛，通過普通的攝像機記錄無法了解其詳細過程。故此次研究采用武漢中創聯達科技有限公司提供的日本nac高速攝像機（型號：ACS-1）對整個現象進行視頻記錄。
圖文解析
一般來說，電池在內短路和過充、加熱等極端條件下存在熱失控風險。對于方形動力電池，除了爆炸等極端案例，熱失控其他常見的現象為防爆閥爆開、大量煙霧和火焰從防爆閥口噴出。
此次研究的對象為方形動力電池，其組成包含有fuse(熔斷絲)、OverchargeSafety Device（過充保護裝置）和vent（防爆閥)三大安全設計要素。
電池采用NCM622/的石墨體系，具體實驗所用的方形動力電池信息如下表1所示：
圖1.簡易實驗裝置示意圖
高速攝像機在輔助光源幫助下對電池熱失控噴發過程進行拍攝，攝像機最大拍攝幀率為20萬幀/秒。
為了避免電池熱失控可能造成的儀器損壞和噴發物燃燒、爆炸問題，實驗團隊設計了一套耐高壓的密閉實驗裝置，對電池熱失控噴發過程進行研究（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（相對時間），下圖為經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流出時，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，通過該波動可以看出噴射過程并不穩定。
圖3.相態的演變過程
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包括相態的改變。
在噴發過程中，射流段灰度值總體上呈現出先減小后增加再減小的趨勢。隨著電池溫度升高，電池內部壓力在電解液蒸氣與內部產氣的共同作用下逐漸達到vent開啟壓力。此時，受制于電解液飽和蒸氣壓的限制，電池內部電解液主要存在形式為液態。
上圖（圖3）整個噴發過程中射流出現了氣、液、固三種相態，由此可以得出，鋰離子電池熱失控產物噴射是一種復雜的多相的瞬態射流。
圖4.ven啟動過程
vent（防爆閥）是方形電池中的重要安全結構件，了解其微觀啟動過程可以更好地對其進行設計。
在電池內部不斷升高的壓力作用下，vent先在一側打開，另外一側與電池還保持連接狀態。從vent剛剛打開（圖4a）到vent大部分打開（圖4d），歷經了0.4ms的時間。
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，保護膜中心位置變形顯著，呈現球型凸起，隨著壓力的升高和變形的加劇，保護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
李成、王賀武，張亞軍，歐陽明高，李偉峰。《鋰離子動力電池中等荷電狀態下熱失控產物噴發過程研究》儲能科學與技術。
武漢中創聯達科技有限公司（nac品牌中國區總代理）深耕高速攝像領域二十年，有豐富的應用經驗，和完善的售后。面向汽車、軍工、航空航天、科研教育等行業。產品有高速攝像機、ICCD超高速相機、像增強器；高速運動圖像分析、彈道追蹤軟件；PIV粒子圖像測速系統、DIC應變測量系統；便攜式紋影儀、眼動儀等。
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