锂离子电池热失控产气爆炸极限测试

  • 更新时间:2022-07-14
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随着锂离子电池在新能源汽车、储能、消费类电子以及航空航天等重要行业的大规模应用,锂电池的安全问题已引起社会的密切关注。

热失控是锂电池安全事故的重要原因,它会引起锂离子电池起火甚至爆炸,直接威胁用户的安全。若锂电池单体在某种诱因下发生热失控,电池材料将发生一系列剧烈的化学反应,产生大量热量以及可燃、有毒的气体,导致电池因内部温度、压力急剧升高而炸裂,可燃气体随之泄露,在高温下遇到外界空气引起剧烈燃烧,形成射流火或燃爆火球,从而引起周围其他单体的失控,引发安全事故。


图1 锂离子电池典型起火事故


电池的荷电状态、服役时间以及材料体系等都会导致电池产气成分变化,从而影响其燃爆特性及电池热失控危险性[1]。评估电池产气的燃爆特性对于评价动力电池安全性具有重要意义,而爆炸极限是研究可燃气体危险性的重要评估参数。


爆炸极限分析测试

在本案例中,采用国内某厂家50A·h、100%SOC的三元锂电池,使用大型电池绝热量热仪(仰仪科技BAC-420A型)在惰性气体氛围中完成电池热失控实验。随后对电池产气进行收集,并利用气相色谱对气体成分进行分析,结果如下图所示:


图2 某锂离子电池产气成分色谱分析结果


该混合气中的多种可燃气体和惰性气体可按照一定方法进行配对,并利用理查特里(Lechteillier)公式对混合气的爆炸极限进行估算[2]


其中Lm为混合气体的爆炸极限;L1、L2、……、Ln为各组分的爆炸极限;V1、V2、…、Vn为各组分的含量。经过计算可得该电池产气的爆炸下限LFL=33.02%。接下来我们通过实验对上述计算进行验证。如图3所示,本案例使用爆炸极限试验仪(仰仪科技HWP21-30S型)对混合气的爆炸极限进行测试。通过该仪器可自动配气,根据点火后的闪燃现象可判断设定浓度下样气是否已达到爆炸极限。


图3 (a) 电池产气爆炸极限测试现场图


实验录像:(b) 浓度30%

实验录像:(c) 浓度40%


实验录像:(d) 浓度35%


实验录像:(e) 浓度32.5%


由于气体量限制,本案例总进行5次实验,实验结果汇总如下:



根据上述结果,该电池产气的爆炸下限LFL范围为32.5%-35%,其中32.5%浓度下爆炸较为微弱,该浓度与爆炸下限值已非常接近。同时,实验值与理论计算值的符合程度较高,也相互印证了上述结果的可靠性。


实验探讨

本案例相对完整地阐释了电池产气爆炸极限测试方法,虽然实验结果较好,但实验本身仍存在一定的局限性。例如,锂电池热失控需在惰性气体氛围中发生,但大量惰性气体引入将导致电池产气LFL增大;另外,爆炸极限测试压力条件目前尚不明确,常压或高压下LFL的测试结果略有差别(高压测试需使用高温高压爆炸极限测试仪)。上述问题有待行业内专家共同探讨,推动相关测试标准的建立。



参考文献

[1] 崔发生, 鲁琦, 蒋锋等. 动力电池热失控下可燃性气体的研究.

[2] 张立志, 李学文, 张琪. 煤油气共生矿井油型气爆炸极限的测定[J]. 煤矿安全, 2018, 049(005):198-200,205.