鋰離子蓄電池在爆炸性環(huán)境下的安全應(yīng)用研究

李博

(煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 檢測中心，北京 100013)

鋰離子蓄電池在爆炸性環(huán)境下的安全應(yīng)用研究

李博

(煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 檢測中心，北京 100013)

為解決鋰離子蓄電池在爆炸性環(huán)境中安全使用的問題，針對引發(fā)鋰離子蓄電池電解液泄漏、燃燒、爆炸的條件和因素進(jìn)行分析，并通過試驗手段測得在爆炸性氣體環(huán)境下配有鋰離子蓄電池的隔爆腔體爆炸壓力、初燃溫度等數(shù)據(jù)和爆燃的形成條件。試驗數(shù)據(jù)表明：使用鋰離子蓄電池的電氣設(shè)備應(yīng)針對電池充放電、最高表面溫度和使用環(huán)境溫度范圍等的安全測試，確保裝有鋰離子蓄電池的電氣設(shè)備在爆炸性環(huán)境的可靠應(yīng)用。

鋰離子蓄電池；爆炸壓力；初燃溫度；安全應(yīng)用

1 引言

鋰離子蓄電池具有能量密度大、無容量記憶性、單體輸出電壓高、循環(huán)壽命較長等優(yōu)點(diǎn)，在很多行業(yè)得到良好的應(yīng)用。然而隨著鋰離子蓄電池各個行業(yè)的不斷普及、使用量的增加其自燃、爆炸等火災(zāi)風(fēng)險逐漸凸顯[1-2]。2015年國家密集的施行了GB31241-2014 《便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組安全要求》、GBT 31467-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)》、GBT 31485-2015 《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》等7個標(biāo)準(zhǔn)，第一次從國標(biāo)的層面針對鋰離子蓄電池安全使用和安全防護(hù)制定了系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，也凸顯了鋰離子蓄電池發(fā)展的迅猛和保障鋰離子蓄電池技術(shù)的可靠應(yīng)用緊迫性和必須性，但在防爆領(lǐng)域相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)尚不完備，未能因當(dāng)前鋰離子蓄電池技術(shù)的快速發(fā)展和現(xiàn)場使用的實(shí)際需求而做相應(yīng)的修訂更新。

2 鋰離子蓄電池燃爆特征分析

近年來國內(nèi)外相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和學(xué)者對鋰離子蓄電池高低溫性能、電解液和正負(fù)極材料熱穩(wěn)定對安全的影響、電池產(chǎn)熱速率和高溫時溫度場變化因素，電池放電熱行為和環(huán)境的影響、在極端條件下鋰離子蓄電池燃燒條件和爆燃特性等開展研究，積累大量關(guān)于導(dǎo)致鋰離子蓄電池產(chǎn)生風(fēng)險的參考數(shù)據(jù)[3-6]。研究證明電池燃爆主要原因有：不當(dāng)充、放電導(dǎo)致電池薄膜高溫分解；電池設(shè)計缺陷或鋰離子蓄電池生產(chǎn)工藝局限無法生產(chǎn)出一致性較高的電池導(dǎo)致整個電池組性能存在瑕疵；長期使用或使用環(huán)境不適宜導(dǎo)致的電池薄膜老化內(nèi)部易發(fā)生短路等，這些因素均可能導(dǎo)致電池材料燃燒甚至爆炸。

而在爆炸性環(huán)境中的使用鋰離子蓄電池的電氣設(shè)備特別是大容量的電池會加劇上述風(fēng)險因素造成的影響。因此應(yīng)重點(diǎn)考慮使用環(huán)境溫度、電氣設(shè)備及電池本身的最高表面溫度和由自身故障或操作失誤對周圍環(huán)境可能造成的危害等，并采取相應(yīng)的防護(hù)措施。筆者針對上訴目標(biāo)，通過對鋰離子蓄電池燃爆壓力試驗和初燃溫度試驗，分析電池燃爆條件、燃爆過程、誘發(fā)閥值和可能對周圍環(huán)境造成的影響。為下一步大容量鋰離子蓄電池在防爆領(lǐng)域的可靠應(yīng)用和完善相關(guān)檢驗標(biāo)準(zhǔn)提供試驗技術(shù)、試驗方法和試驗數(shù)據(jù)等參考信息。

3 試驗

3.1 電池爆炸壓力試驗

3.1.1 試驗

試驗對象選擇能量密度相對集中、應(yīng)用比較廣泛的三元鋰蓄電池，由于目前鋰離子蓄電池的生產(chǎn)工藝決定電池的一致性還有較大提升空間，因此被測樣品為6組電池組，每組由4片單體電池串聯(lián)，容量為40Ah。

3.1.2 試驗方法

該項試驗分為兩組，分別把電池組放入與隔爆腔體凈空間比為約1∶1和約1∶2的隔爆腔體內(nèi)，充入濃度為(14±1%)(V/V)%的C2H2的氣體，腔體內(nèi)初始壓力為0.5MPa。放入環(huán)境溫度40℃防爆步入式高低溫試驗箱中對電池組以3C以上電流分別進(jìn)行過充放試驗，每完成一個充放電循環(huán)電流增加1C,當(dāng)電池燃爆、燃燒時試驗終止，測得當(dāng)電池發(fā)生燃爆時的腔體內(nèi)壓力。每組電池只做一次試驗。

3.1.3 試驗結(jié)果

第一組試驗測得爆炸壓力區(qū)間為2.35～2.69MPa，圖1為該組試驗最大爆炸壓力曲線。

第二組試驗測得爆炸壓力區(qū)間為1.19～1.33MPa，圖2為該組試驗最大爆炸壓力曲線。

圖1 第一組試驗最大爆炸壓力曲線

圖2 第二組試驗最大爆炸壓力曲線

3.1.4 數(shù)據(jù)分析

通過爆炸試驗數(shù)據(jù)標(biāo)明,裝有鋰離子蓄電池的腔體爆炸壓力遠(yuǎn)大于(14±1)%(V/V)%的C2H2的氣體本身在隔爆腔體內(nèi)可能產(chǎn)生的爆炸壓力，所以該爆炸壓力主要是鋰離子蓄電池燃爆產(chǎn)生的。

3.2 電池初燃溫度試驗

3.2.1 試驗對象

由于造成鋰離子蓄電池燃燒的主要因素是電池薄膜的失效，所以分別選用某廠家的干法薄膜和濕法薄膜兩種鋰離子蓄電池作為被測樣品。

3.2.2 試驗方法

該試驗主要測試電池的初始燃爆溫度點(diǎn)，根據(jù)相關(guān)企業(yè)提供的數(shù)據(jù)信息，干法薄膜和濕法薄膜的分解溫度為130～150℃和180～200℃，所以選兩種電池薄膜材料鋰離子蓄電池分別放入電池組與隔爆腔體凈空間比為約1:1的隔爆腔體內(nèi)，充入濃度為(14±1)%(V/V)%的C2H2的氣體，放入防爆步入式高低溫試驗箱中，以5～8℃/h升溫速率緩慢升高環(huán)境溫度，并以正常工況(1C)對電池充放電，當(dāng)電池開始發(fā)生燃爆時，測得初燃溫度。根據(jù)鋰電池主要部分熱物性參數(shù)[8]和試驗可行性，測溫點(diǎn)位于工作溫度最接近薄膜的負(fù)極極耳處。

3.2.3 試驗結(jié)果

第一組電池發(fā)生燃爆時測點(diǎn)溫度為約130℃。電池表面溫度在120℃以后上升速度有加速趨勢，爆炸瞬間響應(yīng)溫度約550℃。溫度曲線見圖3；第二組電池發(fā)生燃爆時測點(diǎn)溫度為約177℃。電池表面溫度在170℃后上升速度加速，爆炸瞬間響應(yīng)溫度約590℃，見圖4。

圖3 第一組電池初燃溫度試驗

圖4 第二組電池初燃溫度試驗

3.2.4 數(shù)據(jù)分析

由于試驗?zāi)芰λ蓿瑴y溫點(diǎn)未布入單體電池內(nèi)部，只能近似選取負(fù)極極耳作為電池內(nèi)部燃爆臨界參考溫度，根據(jù)鋰電池?zé)嵛镄詤?shù)分析該點(diǎn)溫度要略低于電池薄膜處真值溫度約3～5℃，在溫度較低時接觸電阻對溫度影響也有一定影響。同時電池薄膜發(fā)生分解到燃爆有個相對滯后但不可逆的過程，該分解溫度要略低于電池薄膜燃爆點(diǎn)溫度真值。綜合以上兩種因素，當(dāng)前測點(diǎn)燃爆溫度近似電池薄膜開始分解溫度。

4 試驗結(jié)果分析

根據(jù)以上兩項試驗數(shù)據(jù)和針對鋰離子蓄電池燃爆機(jī)理的分析，明確了抑制鋰離子蓄電池燃爆的途徑和閥值，以及在爆炸性環(huán)境應(yīng)用中應(yīng)采取的部分防護(hù)措施。

(1)根據(jù)試驗1中鋰離子蓄電池隔爆腔體的爆炸試驗數(shù)據(jù)，在標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)增加隔爆腔體凈容積對電池組體積最小占比的要求，當(dāng)占比≥2時，腔體內(nèi)爆炸壓力下降較為明顯，同時應(yīng)對含有鋰離子蓄電池隔爆腔體的外殼耐壓試驗方法進(jìn)一步完善。

(2)通過試驗2的數(shù)據(jù)證明不同鋰離子蓄電池的高溫穩(wěn)定性能差異較大，鋰離子蓄電池的使用環(huán)境溫度也應(yīng)作為防爆性能的一部分考核，同時配有鋰離子蓄電池的防爆電氣設(shè)備應(yīng)具備自限溫功能，當(dāng)電池表面溫度接近或超過電池使用安全溫度范圍時，設(shè)備應(yīng)能自動斷電保護(hù)。依據(jù)設(shè)備使用環(huán)境和場所特點(diǎn)，兼顧防爆安全因素設(shè)計復(fù)位方式。

(3)通過對鋰離子蓄電池爆炸數(shù)據(jù)和爆炸過程的分析，電池燃爆產(chǎn)生的爆炸壓力遠(yuǎn)大于混合氣體產(chǎn)生的爆炸壓力，因此配備具有防爆等級相適應(yīng)的呼吸裝置可以得到較好的泄壓，對隔爆腔體能更好的保護(hù)。

(4)由于電池或電池組的過、充放或使用壽命的衰減也可能是導(dǎo)致鋰離子蓄電池爆炸的風(fēng)險因素，具有鋰離子蓄電池的電氣設(shè)備至少應(yīng)具備剩余容量、電壓、電流、溫度等信息的顯示功能。

5 結(jié)論

針對鋰離子蓄電池在爆炸性能環(huán)境使用的標(biāo)準(zhǔn)與鋰離子蓄電池發(fā)展相對滯后的問題，通過對多種鋰離子蓄電池的燃爆試驗，獲得了大量試驗數(shù)據(jù)，明確了鋰離子蓄電池的燃爆特征和反應(yīng)機(jī)理，為該領(lǐng)域檢驗提供參考數(shù)據(jù)和試驗合理性性研究。但由于實(shí)驗室條件所限，試驗樣本來源較少，很多安全閥值數(shù)據(jù)還不準(zhǔn)確，需要大量試驗數(shù)據(jù)支撐。

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Research on Security Application of Lithium Ion Battery in Explosive Atmosphere

LI Bo

(China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)

To solve the problem of how to use Lithium ion battery in explosive atmosphere,it analyzes of electrolyte leakage and battery bums′s factor.Through the test method,it gets flameproof enclosure's explosion pressure and ignition temperature data with Lithium ion battery,in explosive environment.The test data prove that Lithium ion battery's electrical apparatus need Charge and discharge test and maximum surface temperature test and ambient temperature range test.It made sure the safe use of Lithium ion battery in explosive atmosphere.

lithium ion battery;explosion pressure;ignition temperature;security application

1004-289X(2017)01-0073-03

X932

B

2016-11-27

李博(1982-)男，遼寧撫順人，碩士研究生，高級工程師，主要從事防爆電器檢驗和檢驗設(shè)備研發(fā)工作。