熱失控是鋰電池安全事故的重要原因，它會(huì )引起鋰離子電池起火甚至爆炸，直接威脅用戶(hù)的安全。若鋰電池單體在某種誘因下發(fā)生熱失控，電池材料將發(fā)生一系列劇烈的化學(xué)反應，產(chǎn)生大量熱量以及可燃、有毒的氣體，導致電池因內部溫度、壓力急劇升高而炸裂，可燃氣體隨之泄露，在高溫下遇到外界空氣引起劇烈燃燒，形成射流火或燃爆火球，從而引起周?chē)渌麊误w的失控，引發(fā)安全事故。
圖1 鋰離子電池典型起火事故
電池的荷電狀態(tài)、服役時(shí)間以及材料體系等都會(huì )導致電池產(chǎn)氣成分變化，從而影響其燃爆特性及電池熱失控危險性[1]。評估電池產(chǎn)氣的燃爆特性對于評價(jià)動(dòng)力電池安全性具有重要意義，而爆炸極限是研究可燃氣體危險性的重要評估參數。
爆炸極限分析測試
在本案例中，采用國內某廠(chǎng)家50A·h、100%SOC的三元鋰電池，使用大型電池絕熱量熱儀（仰儀科技BAC-420A型）在惰性氣體氛圍中完成電池熱失控實(shí)驗。隨后對電池產(chǎn)氣進(jìn)行收集，并利用氣相色譜對氣體成分進(jìn)行分析，結果如下圖所示：
圖2 某鋰離子電池產(chǎn)氣成分色譜分析結果
該混合氣中的多種可燃氣體和惰性氣體可按照一定方法進(jìn)行配對，并利用理查特里（Lechteillier）公式對混合氣的爆炸極限進(jìn)行估算[2]：
其中Lm為混合氣體的爆炸極限；L1、L2、……、Ln為各組分的爆炸極限；V1、V2、…、Vn為各組分的含量。經(jīng)過(guò)計算可得該電池產(chǎn)氣的爆炸下限LFL=33.02%。接下來(lái)我們通過(guò)實(shí)驗對上述計算進(jìn)行驗證。如圖3所示，本案例使用爆炸極限試驗儀（仰儀科技HWP21-30S型）對混合氣的爆炸極限進(jìn)行測試。通過(guò)該儀器可自動(dòng)配氣，根據點(diǎn)火后的閃燃現象可判斷設定濃度下樣氣是否已達到爆炸極限。
圖3 (a) 電池產(chǎn)氣爆炸極限測試現場(chǎng)圖
實(shí)驗錄像：(b) 濃度30%
實(shí)驗錄像：(c) 濃度40%
實(shí)驗錄像：(d) 濃度35%
實(shí)驗錄像：(e) 濃度32.5%
由于氣體量限制，本案例總進(jìn)行5次實(shí)驗，實(shí)驗結果匯總如下：
根據上述結果，該電池產(chǎn)氣的爆炸下限LFL范圍為32.5%-35%，其中32.5%濃度下爆炸較為微弱，該濃度與爆炸下限值已非常接近。同時(shí)，實(shí)驗值與理論計算值的符合程度較高，也相互印證了上述結果的可靠性。
實(shí)驗探討
本案例相對完整地闡釋了電池產(chǎn)氣爆炸極限測試方法，雖然實(shí)驗結果較好，但實(shí)驗本身仍存在一定的局限性。例如，鋰電池熱失控需在惰性氣體氛圍中發(fā)生，但大量惰性氣體引入將導致電池產(chǎn)氣LFL增大；另外，爆炸極限測試壓力條件目前尚不明確，常壓或高壓下LFL的測試結果略有差別（高壓測試需使用高溫高壓爆炸極限測試儀）。上述問(wèn)題有待行業(yè)內專(zhuān)家共同探討，推動(dòng)相關(guān)測試標準的建立。
參考文獻
[1] 崔發(fā)生, 魯琦, 蔣鋒等. 動(dòng)力電池熱失控下可燃性氣體的研究.
[2] 張立志, 李學(xué)文, 張琪. 煤油氣共生礦井油型氣爆炸極限的測定[J]. 煤礦安全, 2018, 049(005):198-200,205.
