鋰離子電池熱失控一旦被點燃會出現不可控的嚴重后果

　　本文利用高溫高壓爆炸極限試驗儀對磷酸鐵鋰電池單體(3.2V/265Ah)熱失控產氣的爆炸極限與極限氧濃度進行了研究，相關爆炸特性參數可為儲能電站等應用場景的防爆抑爆設計提供理論依據。
 

　　鋰離子電池熱失控過程會產生由多種可燃組分構成的混合氣體，這種熱解氣一旦被點燃會出現不可控的嚴重后果。
 

　　測定鋰電池熱失控產氣的爆炸極限與極限氧濃度，可為儲能電站等爆炸性環境的氧濃度控制提供理論依據，有效預防爆炸和火災事故;也可為地下車庫等應用場景的通風設計提供數據支持，提高公共安全性。
 

　　本次實驗選擇應用于儲能站的265Ah磷酸鐵鋰電芯，通過人工配氣模擬其熱失控所產生的混合氣體，并使用仰儀科技HWP21-30S型爆炸極限試驗儀進行產氣爆炸特性研究。
 

　　實驗結果表明，常溫常壓下電池產氣的爆炸下限(LEL)為6.80%，爆炸上限(UEL)為40.63%，極限氧濃度(LOC)為7.50%。
 

　　一、實驗部分
 

　　1. 樣品準備
 

　　(1)氮氣：純度不低于99.8 %(體積分數)。
 

　　(2)待測混合氣體：成分比例如下圖，用以模擬磷酸鐵鋰電芯熱失控所產生的混合氣體。
 

　　二、測試方法
 

　　(1)爆炸極限測定
 

　　參見GB/T 21844-2008 化合物(蒸氣和氣體)易燃性濃度限值的標準試驗方法;GB/T 12474-2008空氣中可燃氣體爆炸極限測定方法。
 

　　(2)極限氧濃度測定
 

　　參見GB/T 38301-2019可燃氣體或蒸氣極限氧濃度測定方法。
 

　　三、實驗結果
 

　　1. 燃燒判定標準
 

　　根據GB/T 21844-2008 化合物(蒸氣和氣體)易燃性濃度限值的標準試驗方法中提到的火焰的傳播的定義：在本試驗中，火焰前沿從點火源向上或向外到達器壁或至少離器壁13mm處的運動過程。向外擴散運動說明火焰前沿存在水平分量。
 

　　2. 爆炸極限實驗結果
 

　　(1)爆炸下限
 

　　進行爆炸下限測試時，測得接近火焰傳播和火焰不傳播時的實驗效果如實驗錄像1所示，可以計算爆炸下限LEL=0.5×(6.526+7.077)%=6.80%。
 

　　(2)爆炸上限
 

　　進行爆炸上限測試時，測得接近火焰傳播和火焰不傳播時的實驗效果如下，可以計算爆炸上限UEL=0.5×(41.043+40.225)%=40.63%。
 

　　3. 極限氧濃度實驗結果
 

　　極限氧濃度可利用三元圖進行分析，根據GB/T 38301-2019，當UEL≤ 0.8 × (100-Xair，L)，適用簡易實驗程序。

 

　　通過上圖可知，通過程序實驗逐步確定爆炸區頂點空氣體積分數(Xair，L)，并測定0.8倍頂點惰性氣體體積分數(0.8 Xin，L)的混合氣體爆炸極限，以驗證極限空氣濃度LAC位于爆炸區頂點，此時：
 

　　LAC= Xair，L = 35.89%
 

　　隨后可通過公式計算混合氣體的極限氧濃度：
 

　　LOC= LAC×0.209 =7.50%
 

　　待測混合氣體的三元圖既可以確定極限氧濃度，也可以表征爆炸區范圍，反映電池產氣的爆炸區臨界濃度分布規律。
 

　　四、結論
 

　　本文利用爆炸極限試驗儀測定了大容量磷酸鐵鋰電池單體熱失控產氣的極限氧濃度。以該數據為基礎，通過提高惰性氣體濃度或降低氧濃度進行抑爆設計，可以有效預防爆炸風險，提高儲能電站等應用場景的安全性。