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一、背景介紹

隨著鋰離子電池在新能源汽車、儲(chǔ)能、消費(fèi)類電子以及航空航天等重要行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用，鋰電池的安全問題已引起社會(huì)的密切關(guān)注。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(yīng)，產(chǎn)生大量熱量以及可燃、有毒的氣體，導(dǎo)致電池因內(nèi)部溫度、壓力急劇升高而炸裂，可燃?xì)怏w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，從而引起周圍其他單體的失控，引發(fā)安全事故。電池的荷電狀態(tài)、服役時(shí)間以及材料體系等都會(huì)導(dǎo)致電池產(chǎn)氣成分變化，從而影響其燃爆特性及電池?zé)崾Э匚ｋU(xiǎn)性[1]。
評(píng)估電池產(chǎn)氣的燃爆特性對(duì)于評(píng)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?xì)怏w危險(xiǎn)性的重要評(píng)估參數(shù)。

二、爆炸極限分析測試

在本案例中，采用國內(nèi)某廠家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?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)。隨后對(duì)電池產(chǎn)氣進(jìn)行收集，并利用氣相色譜對(duì)氣體成分進(jìn)行分析，結(jié)果如下圖所示：

圖2 某鋰離子電池產(chǎn)氣成分色譜分析結(jié)果

該混合氣中的多種可燃?xì)怏w和惰性氣體可按照一定方法進(jìn)行配對(duì)，并利用理查特里（Lechteillier）公式對(duì)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)過計(jì)算可得該電池產(chǎn)氣的爆炸下限LFL=33.02%。
隨后我們通過實(shí)驗(yàn)對(duì)上述計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。如圖3所示，本案例使用爆炸極限試驗(yàn)儀（仰儀科技HWP21-30S型）對(duì)混合氣的爆炸極限進(jìn)行測試。通過該儀器可自動(dòng)配氣，根據(jù)點(diǎn)火后的閃燃現(xiàn)象可判斷設(shè)定濃度下樣氣是否已達(dá)到爆炸極限。

圖3 (a) 電池產(chǎn)氣爆炸極限測試現(xiàn)場圖

實(shí)驗(yàn)錄像：(b) 濃度30%，

實(shí)驗(yàn)錄像：(c) 濃度40%，

實(shí)驗(yàn)錄像：(d) 濃度35%，

實(shí)驗(yàn)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(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)缦拢?/span>

根據(jù)上述結(jié)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(yàn)值與理論計(jì)算值的符合程度較高，也相互印證了上述結(jié)果的可靠性。

三、實(shí)驗(yàn)探討

本案例相對(duì)完整地闡釋了電池產(chǎn)氣爆炸極限測試方法，雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好，但實(shí)驗(yàn)本身仍存在一定的局限性。例如，鋰電池?zé)崾Э匦柙诙栊詺怏w氛圍中發(fā)生，但大量惰性氣體引入將導(dǎo)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(jié)果略有差別（高壓測試需使用高溫高壓爆炸極限測試儀）。上述問題有待行業(yè)內(nèi)專家共同探討，推動(dòng)相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)的建立。

參考文獻(xiàn)
[1] 崔發(fā)生, 魯琦, 蔣鋒等. 動(dòng)力電池?zé)崾Э叵驴扇夹詺怏w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.