航空冷鏈運輸中含鋰離子電池供電設(shè)備安全性測試實驗

白偉

[摘 要]目前國內(nèi)航空冷鏈運輸因鋰電池問題受到諸多限制。為檢驗紐扣電池，本文對紐扣電池進行了危險性測試。實驗表明紐扣鋰電池在加熱實驗中平均溫度達到157.7℃時發(fā)生熱失控，失控后正負極分離，電解質(zhì)變?yōu)楹谏豢稍俅稳紵镔|(zhì)。短路實驗中電池表面溫度升高至37 ℃左右，平均損失電壓為0.39V，1.2米高度測試與撞擊實驗中，電池均未出現(xiàn)破壞性損害，溫度也未達到引燃包裝的程度，說明紐扣電池具有一定火災(zāi)危險性但對于供電設(shè)備及冷鏈運輸箱危險程度不高。

[關(guān)鍵詞]冷鏈運輸；包裝；紐扣電池；安全性測試方案；實驗

冷鏈運輸是以保持低溫環(huán)境為核心要求的供應(yīng)鏈系統(tǒng)，是隨著科學(xué)技術(shù)的進步以及制冷技術(shù)的快速發(fā)展而發(fā)展起來的，是以冷凍工藝學(xué)為基礎(chǔ)、以制冷技術(shù)為手段的低溫物流過程。其中以醫(yī)藥業(yè)和生鮮業(yè)[1-2]最具代表性。據(jù)LifeConEx公司統(tǒng)計在世界銷量較高的醫(yī)藥產(chǎn)品中，有20%的產(chǎn)品會因為溫度的變化而改變藥性、疫苗類產(chǎn)品中有68%對溫度有極強的要求，運輸過程中控制溫度的同時也要實時監(jiān)測環(huán)境溫度變化，一旦運輸過程中溫度的峰值超過或低于規(guī)定值，藥物只能作廢。因此衍生了航空冷鏈運輸產(chǎn)業(yè)，鋰電池作為產(chǎn)業(yè)中溫度記錄設(shè)備的供電電源，得到了越來越多的關(guān)注。2016年劉楊等通過列舉實際案例，證明運輸包裝測試只在實驗室內(nèi)營造一個包含振動、沖擊、壓力、環(huán)境的微型世界，實現(xiàn)精密控制、微觀觀察。針對不同包裝件、不同物流環(huán)境選擇合理的運輸包裝測試標準，只有通過合理的運輸包裝測試，進行產(chǎn)品包裝的改進完善，才能夠降低實際運輸中的損壞，提高客戶滿意度。2016年李志恒從運輸包裝是熱交變常用測試標準解析、環(huán)境試驗設(shè)備的選擇以及如何實現(xiàn)濕熱條件的模擬等幾個方面展開論述。通過實驗室的有效試驗測試，闡述濕熱交變環(huán)境測試的意義，以及通過對試驗設(shè)備控制方式的理解，從而指導(dǎo)設(shè)備的選型，達到包裝測試的目的。國外冷鏈運輸行業(yè)較為先進，以研究新型的制冷技術(shù)為主，為當(dāng)前技術(shù)提供更節(jié)能環(huán)保的替代方案。

一、航空冷鏈運輸包裝概況

保溫箱根據(jù)產(chǎn)品材質(zhì)不同分為不同種類，包括塑料、泡沫、金屬、木制等各種保溫箱。保溫箱具備良好的隔熱保溫的功能。航空運輸中對冷鏈箱材質(zhì)并無明確要求。ABS樹脂是一種強度高、韌性好、易于加工成型的熱塑型高分子材料。因為其強度高、耐腐蝕、耐高溫，所以常被用于制造儀器的塑料外殼，因此航空運輸通常采用ABS材質(zhì)的冷鏈箱。

目前國內(nèi)航空冷鏈運輸使用的供電設(shè)備大多以路格L91溫度黑匣子和百沃T301PDF溫度記錄儀為主，市場上大部分溫度記錄儀的能量來源為CR2032和CR2450兩種大小的紐扣電池

二、供電設(shè)備安全性測試方案及實驗研究

1.供電設(shè)備安全性測試方案設(shè)計

因目前國內(nèi)航空公司對于冷鏈運輸前需要提供供電設(shè)備和鋰電池UN38.3及1.2M高度測試的測試合格報告，所以實驗設(shè)計方案主要依據(jù)這兩項標準。

因目前冷鏈運輸使用CR2032和CR2450為主的一次性紐扣電池，與UN38.3中的過充電實驗、強制放電實驗無關(guān)，加之受條件限制，為探究紐扣電池安全性問題設(shè)計加熱實驗、內(nèi)部短路實驗和1.2M的高度實驗。

2.鋰電池加熱實驗

將每種電池分為兩組，一組5個電池，兩組實驗分別對其正、負級進行加熱。將加熱棒分別與全新鋰電池的正負兩極用防火膠帶固定，并置于自制小尺度爆炸平臺中，隨后開始對鋰電池持續(xù)加熱，在此期間，鋰電池發(fā)生燃燒、爆炸等現(xiàn)象，記錄加熱時長以及發(fā)生燃燒、爆炸的溫度。

3. 內(nèi)部短路實驗

將每種電池分為兩組，一組5個電池，兩組實驗分別對其正、負級進行加熱。將加熱棒分別與全新鋰電池的正負兩極用防火膠帶固定，并置于自制小尺度爆炸平臺中，將型號為SIN-R960的無紙記錄儀的溫度探測針用防火膠帶固定在加熱棒上，以便隨時讀取加熱的溫度。隨后開始對鋰電池持續(xù)加熱，在此期間，鋰電池發(fā)生燃燒、爆炸等現(xiàn)象，記錄加熱時長以及發(fā)生燃燒、爆炸的溫度。

4. 1.2M跌落試驗

將冷鏈箱密封好后抬舉到1.2米的高度保持靜止后做自由落體運動，每做一次自由落體運動后，將電池從供電設(shè)備中取出測量電壓，記錄冷鏈箱的狀態(tài)，重復(fù)上述步驟共20次，檢查冷鏈箱是否密封完好，此為一組實驗。

三、供電設(shè)備安全性測試實驗

加熱實驗溫度數(shù)據(jù)如圖4所示

如圖4所示，對比CR2032和CR2450紐扣電池的溫度圖發(fā)現(xiàn)，電池在180℃左右時發(fā)生熱失控，爆炸后溫度迅速下降至常溫，因為紐扣電池屬于一次性的金屬鋰電池，電解質(zhì)受熱產(chǎn)生氣體，在殼體內(nèi)急劇膨脹，最終在180℃左右時，氣體膨脹將正負極殼沖擊分開，發(fā)生爆炸，電解質(zhì)完全燃燒呈現(xiàn)黑色，殼體分離之后燃燒隨之結(jié)束，溫度恢復(fù)至室溫，供電設(shè)備溫度記錄儀的外殼材料為ABS，其燃點為280℃-320℃，紐扣電池爆炸溫度達不到引燃供電設(shè)備外殼的溫度，所以對于冷鏈設(shè)備無影響。

如圖5所示，對比24小時的短路實驗前后紐扣電池電壓變化發(fā)現(xiàn)，CR2032實驗前平均電壓為3.3V，短路后的平均電壓為2.87V，實驗前后平均減少電壓0.43V，CR2450實驗前平均電壓為3.31V，試驗后的平均電壓為2.89V，實驗前后平均減少電壓為0.42V，通過電壓損失可以發(fā)現(xiàn)，紐扣電池短路并不會造成危害，24小時損失的電壓所轉(zhuǎn)化的熱量不足以對紐扣電池本身造成損害，更不會對設(shè)備造成影響。

如圖6實驗數(shù)據(jù)所示，對于1.2m高度跌落實驗，CR2032和CR2450損失最大損失電壓為0.12V和0.08V，與短路實驗結(jié)果相似，20次實驗損失的電壓不會對紐扣電池本身造成任何危害，損失電壓轉(zhuǎn)化的熱量也對供電設(shè)備沒有任何危險，實驗中外包裝隨著跌落次數(shù)的增加出現(xiàn)了劃痕，小面積的破碎，但對于冷鏈箱的密封性，保溫性沒有影響。

四、結(jié)語

1.隨著航空冷鏈運輸行業(yè)的高速發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)+銷售模式越來越被大眾所接受與使用，每年的冷鏈運輸貨物數(shù)量也在飛速增長。每次冷鏈不需通過提供鋰電池和供電設(shè)備的安全性測試會大大加快運輸效率，減少運輸損失。

2.通過實驗發(fā)現(xiàn)紐扣電池造成的危害不足以對箱體及下箱體以外的設(shè)施造成危害，溫度記錄儀及冷鏈箱足以保證鈕扣電池因短路、意外受熱等情況所產(chǎn)生的危害

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