不同環(huán)境體系下鋰離子電池?zé)崾Э靥匦詫嶒炑芯?/h1>
2019-05-08 08:08:52劉全義孫中正呂志豪
安全 2019年4期
劉全義 韓 旭 孫中正 呂志豪
（中國民用航空飛行學(xué)院 民航安全工程學(xué)院，四川 廣漢 618307）
0 引言
鋰離子電池具有能量密度高、能快速充電、循環(huán)壽命高和對環(huán)境無污染等優(yōu)點，使得其市場占比日益增加。據(jù)美國聯(lián)邦航空局（Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA）統(tǒng)計[1]，1991年3月至2018年1月間有191起電池（絕大多數(shù)是鋰電池）引發(fā)的火災(zāi)、冒煙、高溫或爆炸航空事故，且多數(shù)原因是電池本身固有的高危險特性。尤其是2018年2月25日南航客機CZ3539航班起火，事故原因是旅客充電寶起火爆炸[2]。2017年11月4日，香港機場一號貨站起火爆炸，原因是鋰電池貨箱爆炸并導(dǎo)致貨物燒毀[3]。因此，鋰電池在使用、儲存、運輸?shù)冗^程中易發(fā)生熱災(zāi)害，故其安全性及安全運輸備受社會各界關(guān)注。
隨著鋰電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險不斷凸顯，國內(nèi)外學(xué)者對熱失控的過程、機理及由熱失控導(dǎo)致的鋰電池火災(zāi)事故展開研究。美國FAA休斯研究中心從2002年開始對鋰離子電池?zé)崾Э貦C理進行深入研究，并評估了鋰離子電池發(fā)生熱失控對于飛機貨艙組件的破壞性。其相關(guān)研究報告指出，很小的能量即可觸發(fā)單一的鋰離子電池發(fā)生熱失控，而且鋰離子電池發(fā)生熱失控后的破壞性很強[4-6]。美國FM公司對使用5000個紙箱包裝的18650型鋰離子電池進行了全尺寸火災(zāi)實驗，實驗結(jié)果表明：鋰離子電池內(nèi)含的可燃性電解液在180℃左右時開始發(fā)生熱失控[7]。對于空運條件下，張青松等建立了鋰離子電池?zé)崾Э氐亩嗝字Z效應(yīng)模型[8]，對鋰離子電池的安全運輸提出配備集成滅火系統(tǒng)等建議[9]。2009年，魏曉玲、王子港等[10]利用熱重分析傅里葉變換紅外光譜法（TGA-FTIR）、差示掃描量熱法（DSC）和X射線衍射光譜法（XRD）對鋰離子電池中石墨負極材料在熱失控/爆炸過程的機理進行了分析，發(fā)現(xiàn)電池SEI膜具在溫度到達70℃時開始分解。2014年，平平[11]開展了鋰離子電池?zé)崾Э嘏c火災(zāi)危險性分析及高安全性電池體系的研究。2017年，賀元驊等[12-13]針對鋰電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)、低壓變動環(huán)境熱失控過程開展了初步探索實驗。目前，國內(nèi)對鋰離子電池的研究主要集中于對鋰離子電池自身特性的分析與電池的熱特性理論，通過改善鋰離子電池的電極材料特性和替換電解液來提高其安全性，以及對鋰離子電池組分或其包裝形式進行改進而達到提高安全性的目的[14]。
本文利用自主搭建的實驗平臺在敞開和密封環(huán)境體系下，觸發(fā)不同荷電量的18650型鋰離子電池發(fā)生熱失控，分析鋰離子電池在不同環(huán)境體系下的熱失控機理，對抑制鋰離子電池?zé)崾Э剡M行試驗探究，為鋰離子電池航空運輸安全和火災(zāi)防治提供理論和技術(shù)支持。
1 實驗布置
為研究單個鋰離子電池?zé)崾Э匦袨樘匦裕瑢嶒灧謩e在敞開和密封環(huán)境體系下進行，采用自主設(shè)計的鋰離子電池?zé)崾Э貫?zāi)害演化及危險性分析實驗平臺，如圖1、2。加熱棒和熱電偶與鋰離子電池布置，如圖3。本次實驗選取電池容量為2600mAh的18650型鋰離子電池。實驗中荷電量設(shè)定100%、50%、0%，并選取長度為100mm、功率150W、加熱最高溫度可達600℃的電加熱棒。熱電偶為型號WRNK-191的鎧裝熱電偶，測量范圍在0～1300℃。溫度采集系統(tǒng)采用NI（National Instrument，NI）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實驗中數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為100Hz。
在敞開和密封兩種不同環(huán)境體系下，分別用功率150W的加熱棒觸發(fā)荷電量為100%、50%、0%的18650型鋰離子電池發(fā)生熱失控。實驗中開始時接通加熱棒電源至鋰離子電池?zé)崾Э亟Y(jié)束斷開電源，整個實驗過程NI-cDAQ9135持續(xù)采集數(shù)據(jù)，采樣周期為0.01s。每組實驗平均進行3次以上，保證有效的實驗至少進行3次。
圖1 敞開體系鋰離子電池?zé)崾Э仄脚_Fig.1 Open-test platform for thermal runway investigation of lithium-ion battery
圖2 密封體系鋰離子電池?zé)崾Э仄脚_Fig.2 Seal-test platform for thermal runway investigation of lithium-ion battery
圖3 熱電偶與加熱棒的布置圖Fig.3 Arrangement diagram of thermal couple and heating pot
2 實驗數(shù)據(jù)與分析
2.1 實驗現(xiàn)象
經(jīng)過重復(fù)多次不同荷電量鋰離子電池?zé)崾Э貙嶒?，對該過程的視頻錄像及池體溫度數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，敞開體系與密封體系下，0%SOC與100%SOC鋰離子電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象大體相同，而50%SOC鋰離子電池，密封體系中電池?zé)崾Э馗麟A段現(xiàn)象要比敞開體系電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象更明顯。
為了更好地展現(xiàn)鋰離子電池?zé)崾Э仉A段過程，以50%SOC鋰離子電池?zé)崾Э剡^程為例，單個鋰離子電池?zé)崾Э貙嶒灛F(xiàn)象，如圖4，采用電加熱觸發(fā)鋰電池?zé)崾Э剡^程中，隨著電熱棒的持續(xù)加熱，鋰電池池體溫度變化分為5個階段，如圖5，即：第一次緩慢升溫階段、初爆階段、第二次緩慢升溫階段、燃爆階段和明火燃燒階段。隨著加熱棒溫度增加，進入緩慢升溫階段，池體內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生可燃氣體。池體溫度達到100℃之后，進入初爆階段，池體內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的可燃氣體使池體內(nèi)部壓力增大沖破電池泄壓口釋放可燃煙氣。之后進入第二次緩慢升溫階段，池體內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)劇烈并產(chǎn)生更多的可燃煙氣。池體溫度達到200℃之后，進入燃爆階段，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)更加劇烈，電池從正極噴射大量高溫發(fā)光的易燃物質(zhì)，鋰電池池體溫度明顯迅速升高達到約700℃。最后進入明火階段，主要是池體內(nèi)部殘留物質(zhì)和外包裝塑料殼在氧氣中的燃燒現(xiàn)象。相比50%SOC鋰離子電池?zé)崾Э剡^程，0%SOC鋰離子電池?zé)崾Э剡^程只出現(xiàn)釋放氣體現(xiàn)象，而未出現(xiàn)初爆、燃爆與明火燃燒階段；100%SOC鋰離子電池燃爆過程也只出現(xiàn)了燃爆與明火燃燒階段，而未出現(xiàn)初爆階段。
圖4 50%SOC鋰離子電池?zé)崾Э貙嶒炦^程現(xiàn)象Fig.4 Phenomena of lithium-ion battery with 50% SOC during thermal runaway experiment
圖5 50%SOC鋰電池?zé)崾Э剡^程溫度變化曲線Fig.5 Temperature variation curve of lithium-ion battery with 50%SOC during thermal runaway
2.2 不同荷電量鋰離子電池?zé)崾Э亟Y(jié)果分析
實驗現(xiàn)象中，0%SOC鋰離子電池?zé)崾Э厝讨怀霈F(xiàn)釋放煙氣現(xiàn)象，而50%與100%SOC鋰離子電池?zé)崾Э剡^程均出現(xiàn)燃爆和明火現(xiàn)象，不同荷電量鋰離子電池?zé)崾Э仄涑伢w溫度變化不同。為弄清不同荷電量對鋰離子電池?zé)崾Э氐挠绊懀瑥膶嶒灛F(xiàn)象及熱失控過程中池體溫度變化兩個方面，分別對0%與50%、100%SOC鋰離子電池?zé)崾Э亟Y(jié)果分析。
2.2.1 0%SOC鋰離子電池?zé)崾Э胤治?/p>
鋰離子電池在0%SOC條件下發(fā)生熱失控過程中，隨著加熱棒的溫度不斷上升，電池內(nèi)部的電解液發(fā)生不可逆的氧化分解反應(yīng)，或者電解質(zhì)與電解液之間的化學(xué)反應(yīng)以及電解液與其他物質(zhì)材料的反應(yīng)，致使電池內(nèi)部產(chǎn)生可燃氣體，可燃氣體不斷增加導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力急劇升高，直至超過電池正極泄壓口承壓極限，由于電池外殼其余部分為剛性材料結(jié)構(gòu)，使得可燃氣體從電池正極泄壓口噴出。而鋰離子電池0%SOC整個熱失控過程中，鋰離子電池只發(fā)生了噴射煙霧現(xiàn)象，并沒有出現(xiàn)爆炸和燃燒現(xiàn)象。
敞開和密封體系下0%SOC鋰離子電池?zé)崾Э爻伢w溫度曲線，如圖6。敞開體系中，電池單體在303s時，達到最高溫度353℃。而密封體系中，電池單體在430s時，達到最高溫度352℃。在兩種不同環(huán)境體系中，鋰離子電池發(fā)生熱失控達到的最大溫度是基本相同的，而兩者達到最大溫度所需的時間是不同的。由圖6可見，鋰離子電池在密封體系中發(fā)生熱失控達到最大溫度的時間相比敞開體系要晚了127s，這是由于在密封體系中，隨著池體熱失控發(fā)生，環(huán)境中煙氣釋放量增加，引起池體內(nèi)外部壓力差減小，進而導(dǎo)致熱失控釋放煙氣速率下降，以及引發(fā)熱失控的時間增加，導(dǎo)致密封體系相比敞開體系可以有效的延緩鋰離子發(fā)生熱失控的時間。
圖6 0%SOC鋰離子電池?zé)崾Э爻伢w溫度曲線Fig.6 Body temperature variation curve of lithium-ion battery with 0%SOC during thermal runaway at disserent environmental system
2.2.2 50%和100%SOC鋰離子電池?zé)崾Э胤治?/p>
敞開和密封體系下50%、100%SOC鋰離子電池?zé)崾Э爻伢w溫度曲線，如圖7。
圖7 50%、100%SOC鋰離子電池?zé)崾Э爻伢w溫度曲線Fig.7 Body temperature variation curve of lithium-ion battery with 50% SOC and 100% SOC during thermal runaway at disserent environmental system
敞開體系中，50%SOC鋰離子電池單體在100s時發(fā)生初爆，194s時發(fā)生燃爆，池體溫度從219℃急劇增加到741℃；100%SOC鋰離子電池單體在183s時發(fā)生燃爆，池體溫度從160℃急劇增779℃；50%SOC電池單體發(fā)生熱失控的時間相比100%SOC鋰離子電池晚了11s。相對應(yīng)的，在密封體系中，50%SOC鋰離子電池單體在180s發(fā)生初爆，314s時發(fā)生燃爆，池體溫度從239℃急劇增加到605℃；100%SOC鋰離子電池單體在275s發(fā)生燃爆，池體從223℃溫度急劇增加到640℃；50%SOC電池單體發(fā)生熱失控的時間相比100%SOC鋰離子電池晚了39s。
相同荷電量下，50%SOC與100%SOC鋰離子電池在密封體系中熱失控時間相比敞開體系分別晚了114s和97s；50%SOC與100%SOC鋰離子電池在敞開體系中熱失控達到的溫度峰值相比密封體系分別高出136℃和139℃。與50%SOC鋰離子熱失控過程相比較，100%SOC鋰離子電池在發(fā)生熱失控過程中沒有明顯的初爆現(xiàn)象。
由圖7可見，密封體系中50%、100%SOC鋰離子電池發(fā)生燃爆的時間大于敞開體系，而電池單體達到的最高溫度小于敞開體系。這是因為鋰離子電池?zé)崾Э剡^程中，電池內(nèi)部的一系列化學(xué)反應(yīng)致使電池產(chǎn)生大量可燃氣體，當(dāng)電池單體內(nèi)部壓力高于外部氣壓時，這些氣體從泄壓孔噴出并與周圍環(huán)境中的氧氣混合，達到一定比例時遇到高溫發(fā)生燃爆，而鋰離子電池在密封體系發(fā)生熱失控時，由于密封體系內(nèi)的氧氣含量比敞開體系低，從而延緩鋰離子電池發(fā)生熱失控時間，由于氧氣含量低電池產(chǎn)生的可燃氣體燃燒不充分，所以電池達到的最高溫度比敞開體系低。鋰離子電池在敞開和密封體系下發(fā)生熱失控過程中，100%SOC鋰離子電池相比50%SOC鋰離子電池更容易發(fā)生熱失控，釋放出的能量也更多，可見安全運輸鋰離子電池過程就要適當(dāng)減少電池荷電量。
3 結(jié)論與展望
由以上在敞開和密封體系中觸發(fā)鋰離子電池?zé)崾Э貙嶒炑芯康南嚓P(guān)數(shù)據(jù)和特征分析可得出以下結(jié)論：
（1）不論鋰離子電池處于何種環(huán)境體系中，當(dāng)鋰離子電池的荷電量越高，鋰離子電池發(fā)生熱失控的時間就越短，釋放的能量就越多。
（2）無論在敞開體系還是密封體系，50%SOC鋰離子電池?zé)崾Э剡^程各階段變化均明顯，固將其做為參照對象。而觸發(fā)0%SOC鋰離子電池發(fā)生熱失控過程中，由于電量過低電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)緩慢，沒有出現(xiàn)明顯的初爆和燃爆階段現(xiàn)象，而整個熱失控過程只出現(xiàn)電池正極泄壓孔噴射煙霧現(xiàn)象；100%SOC鋰離子電池發(fā)生熱失控過程中，由于電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)迅速，只出現(xiàn)燃爆階段現(xiàn)象而沒有出現(xiàn)初爆階段現(xiàn)象。
（3）50%、100%SOC鋰離子電池在密封體系中發(fā)生燃爆的時間大于敞開體系中鋰離子電池發(fā)生燃爆的時間，而密封體系中電池單體發(fā)生熱失控達到的最高溫度小于敞開體系中鋰離子電池發(fā)生熱失控的最高溫度，得出密封環(huán)境體系可以延緩鋰離子電池發(fā)生熱失控的時間，并降低鋰離子電池?zé)崾Э蒯尫诺哪芰俊?/p>
（4）航空運輸鋰離子電池過程中，鋰離子電池儲電量越低航空運輸越安全。密封環(huán)境雖然有效的限制了鋰離子電池?zé)崾Э?，但熱失控釋放氣體造成密封環(huán)境壓力的增加要引起注意，需做好密封環(huán)境的泄壓工作，防止二次災(zāi)害。
鋰離子電池?zé)崾Э剡^程是一種非常復(fù)雜的化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)過程，本文只是在敞開和密封環(huán)境體系下，初步探究了基于外部熱源過熱作用下18650型鋰離子電池的熱失控特性，而對于其他類型鋰離子電池的熱失控過程還需進一步的實驗研究，同時還要進一步分析鋰離子電池的熱失控傳播，并開展大容量、大規(guī)模鋰離子電池組與航空動力鋰電池的熱失控傳播實驗。針對密封環(huán)境體系下，進一步研究鋰離子電池發(fā)生熱失控的壓力變化；以及在低壓環(huán)境下，研究單個和多個鋰離子電池發(fā)生熱失控時的壓力變化，為航空安全運輸鋰離子電池提供數(shù)據(jù)及技術(shù)支撐。
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隨著鋰電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險不斷凸顯，國內(nèi)外學(xué)者對熱失控的過程、機理及由熱失控導(dǎo)致的鋰電池火災(zāi)事故展開研究。美國FAA休斯研究中心從2002年開始對鋰離子電池?zé)崾Э貦C理進行深入研究，并評估了鋰離子電池發(fā)生熱失控對于飛機貨艙組件的破壞性。其相關(guān)研究報告指出，很小的能量即可觸發(fā)單一的鋰離子電池發(fā)生熱失控，而且鋰離子電池發(fā)生熱失控后的破壞性很強[4-6]。美國FM公司對使用5000個紙箱包裝的18650型鋰離子電池進行了全尺寸火災(zāi)實驗，實驗結(jié)果表明：鋰離子電池內(nèi)含的可燃性電解液在180℃左右時開始發(fā)生熱失控[7]。對于空運條件下，張青松等建立了鋰離子電池?zé)崾Э氐亩嗝字Z效應(yīng)模型[8]，對鋰離子電池的安全運輸提出配備集成滅火系統(tǒng)等建議[9]。2009年，魏曉玲、王子港等[10]利用熱重分析傅里葉變換紅外光譜法（TGA-FTIR）、差示掃描量熱法（DSC）和X射線衍射光譜法（XRD）對鋰離子電池中石墨負極材料在熱失控/爆炸過程的機理進行了分析，發(fā)現(xiàn)電池SEI膜具在溫度到達70℃時開始分解。2014年，平平[11]開展了鋰離子電池?zé)崾Э嘏c火災(zāi)危險性分析及高安全性電池體系的研究。2017年，賀元驊等[12-13]針對鋰電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)、低壓變動環(huán)境熱失控過程開展了初步探索實驗。目前，國內(nèi)對鋰離子電池的研究主要集中于對鋰離子電池自身特性的分析與電池的熱特性理論，通過改善鋰離子電池的電極材料特性和替換電解液來提高其安全性，以及對鋰離子電池組分或其包裝形式進行改進而達到提高安全性的目的[14]。
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在敞開和密封兩種不同環(huán)境體系下，分別用功率150W的加熱棒觸發(fā)荷電量為100%、50%、0%的18650型鋰離子電池發(fā)生熱失控。實驗中開始時接通加熱棒電源至鋰離子電池?zé)崾Э亟Y(jié)束斷開電源，整個實驗過程NI-cDAQ9135持續(xù)采集數(shù)據(jù)，采樣周期為0.01s。每組實驗平均進行3次以上，保證有效的實驗至少進行3次。
圖1 敞開體系鋰離子電池?zé)崾Э仄脚_Fig.1 Open-test platform for thermal runway investigation of lithium-ion battery
圖2 密封體系鋰離子電池?zé)崾Э仄脚_Fig.2 Seal-test platform for thermal runway investigation of lithium-ion battery
圖3 熱電偶與加熱棒的布置圖Fig.3 Arrangement diagram of thermal couple and heating pot
2 實驗數(shù)據(jù)與分析
2.1 實驗現(xiàn)象
經(jīng)過重復(fù)多次不同荷電量鋰離子電池?zé)崾Э貙嶒?，對該過程的視頻錄像及池體溫度數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，敞開體系與密封體系下，0%SOC與100%SOC鋰離子電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象大體相同，而50%SOC鋰離子電池，密封體系中電池?zé)崾Э馗麟A段現(xiàn)象要比敞開體系電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象更明顯。
為了更好地展現(xiàn)鋰離子電池?zé)崾Э仉A段過程，以50%SOC鋰離子電池?zé)崾Э剡^程為例，單個鋰離子電池?zé)崾Э貙嶒灛F(xiàn)象，如圖4，采用電加熱觸發(fā)鋰電池?zé)崾Э剡^程中，隨著電熱棒的持續(xù)加熱，鋰電池池體溫度變化分為5個階段，如圖5，即：第一次緩慢升溫階段、初爆階段、第二次緩慢升溫階段、燃爆階段和明火燃燒階段。隨著加熱棒溫度增加，進入緩慢升溫階段，池體內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生可燃氣體。池體溫度達到100℃之后，進入初爆階段，池體內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的可燃氣體使池體內(nèi)部壓力增大沖破電池泄壓口釋放可燃煙氣。之后進入第二次緩慢升溫階段，池體內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)劇烈并產(chǎn)生更多的可燃煙氣。池體溫度達到200℃之后，進入燃爆階段，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)更加劇烈，電池從正極噴射大量高溫發(fā)光的易燃物質(zhì)，鋰電池池體溫度明顯迅速升高達到約700℃。最后進入明火階段，主要是池體內(nèi)部殘留物質(zhì)和外包裝塑料殼在氧氣中的燃燒現(xiàn)象。相比50%SOC鋰離子電池?zé)崾Э剡^程，0%SOC鋰離子電池?zé)崾Э剡^程只出現(xiàn)釋放氣體現(xiàn)象，而未出現(xiàn)初爆、燃爆與明火燃燒階段；100%SOC鋰離子電池燃爆過程也只出現(xiàn)了燃爆與明火燃燒階段，而未出現(xiàn)初爆階段。
圖4 50%SOC鋰離子電池?zé)崾Э貙嶒炦^程現(xiàn)象Fig.4 Phenomena of lithium-ion battery with 50% SOC during thermal runaway experiment
圖5 50%SOC鋰電池?zé)崾Э剡^程溫度變化曲線Fig.5 Temperature variation curve of lithium-ion battery with 50%SOC during thermal runaway
2.2 不同荷電量鋰離子電池?zé)崾Э亟Y(jié)果分析
實驗現(xiàn)象中，0%SOC鋰離子電池?zé)崾Э厝讨怀霈F(xiàn)釋放煙氣現(xiàn)象，而50%與100%SOC鋰離子電池?zé)崾Э剡^程均出現(xiàn)燃爆和明火現(xiàn)象，不同荷電量鋰離子電池?zé)崾Э仄涑伢w溫度變化不同。為弄清不同荷電量對鋰離子電池?zé)崾Э氐挠绊懀瑥膶嶒灛F(xiàn)象及熱失控過程中池體溫度變化兩個方面，分別對0%與50%、100%SOC鋰離子電池?zé)崾Э亟Y(jié)果分析。
2.2.1 0%SOC鋰離子電池?zé)崾Э胤治?/p>
鋰離子電池在0%SOC條件下發(fā)生熱失控過程中，隨著加熱棒的溫度不斷上升，電池內(nèi)部的電解液發(fā)生不可逆的氧化分解反應(yīng)，或者電解質(zhì)與電解液之間的化學(xué)反應(yīng)以及電解液與其他物質(zhì)材料的反應(yīng)，致使電池內(nèi)部產(chǎn)生可燃氣體，可燃氣體不斷增加導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力急劇升高，直至超過電池正極泄壓口承壓極限，由于電池外殼其余部分為剛性材料結(jié)構(gòu)，使得可燃氣體從電池正極泄壓口噴出。而鋰離子電池0%SOC整個熱失控過程中，鋰離子電池只發(fā)生了噴射煙霧現(xiàn)象，并沒有出現(xiàn)爆炸和燃燒現(xiàn)象。
敞開和密封體系下0%SOC鋰離子電池?zé)崾Э爻伢w溫度曲線，如圖6。敞開體系中，電池單體在303s時，達到最高溫度353℃。而密封體系中，電池單體在430s時，達到最高溫度352℃。在兩種不同環(huán)境體系中，鋰離子電池發(fā)生熱失控達到的最大溫度是基本相同的，而兩者達到最大溫度所需的時間是不同的。由圖6可見，鋰離子電池在密封體系中發(fā)生熱失控達到最大溫度的時間相比敞開體系要晚了127s，這是由于在密封體系中，隨著池體熱失控發(fā)生，環(huán)境中煙氣釋放量增加，引起池體內(nèi)外部壓力差減小，進而導(dǎo)致熱失控釋放煙氣速率下降，以及引發(fā)熱失控的時間增加，導(dǎo)致密封體系相比敞開體系可以有效的延緩鋰離子發(fā)生熱失控的時間。
圖6 0%SOC鋰離子電池?zé)崾Э爻伢w溫度曲線Fig.6 Body temperature variation curve of lithium-ion battery with 0%SOC during thermal runaway at disserent environmental system
2.2.2 50%和100%SOC鋰離子電池?zé)崾Э胤治?/p>
敞開和密封體系下50%、100%SOC鋰離子電池?zé)崾Э爻伢w溫度曲線，如圖7。
圖7 50%、100%SOC鋰離子電池?zé)崾Э爻伢w溫度曲線Fig.7 Body temperature variation curve of lithium-ion battery with 50% SOC and 100% SOC during thermal runaway at disserent environmental system
敞開體系中，50%SOC鋰離子電池單體在100s時發(fā)生初爆，194s時發(fā)生燃爆，池體溫度從219℃急劇增加到741℃；100%SOC鋰離子電池單體在183s時發(fā)生燃爆，池體溫度從160℃急劇增779℃；50%SOC電池單體發(fā)生熱失控的時間相比100%SOC鋰離子電池晚了11s。相對應(yīng)的，在密封體系中，50%SOC鋰離子電池單體在180s發(fā)生初爆，314s時發(fā)生燃爆，池體溫度從239℃急劇增加到605℃；100%SOC鋰離子電池單體在275s發(fā)生燃爆，池體從223℃溫度急劇增加到640℃；50%SOC電池單體發(fā)生熱失控的時間相比100%SOC鋰離子電池晚了39s。
相同荷電量下，50%SOC與100%SOC鋰離子電池在密封體系中熱失控時間相比敞開體系分別晚了114s和97s；50%SOC與100%SOC鋰離子電池在敞開體系中熱失控達到的溫度峰值相比密封體系分別高出136℃和139℃。與50%SOC鋰離子熱失控過程相比較，100%SOC鋰離子電池在發(fā)生熱失控過程中沒有明顯的初爆現(xiàn)象。
由圖7可見，密封體系中50%、100%SOC鋰離子電池發(fā)生燃爆的時間大于敞開體系，而電池單體達到的最高溫度小于敞開體系。這是因為鋰離子電池?zé)崾Э剡^程中，電池內(nèi)部的一系列化學(xué)反應(yīng)致使電池產(chǎn)生大量可燃氣體，當(dāng)電池單體內(nèi)部壓力高于外部氣壓時，這些氣體從泄壓孔噴出并與周圍環(huán)境中的氧氣混合，達到一定比例時遇到高溫發(fā)生燃爆，而鋰離子電池在密封體系發(fā)生熱失控時，由于密封體系內(nèi)的氧氣含量比敞開體系低，從而延緩鋰離子電池發(fā)生熱失控時間，由于氧氣含量低電池產(chǎn)生的可燃氣體燃燒不充分，所以電池達到的最高溫度比敞開體系低。鋰離子電池在敞開和密封體系下發(fā)生熱失控過程中，100%SOC鋰離子電池相比50%SOC鋰離子電池更容易發(fā)生熱失控，釋放出的能量也更多，可見安全運輸鋰離子電池過程就要適當(dāng)減少電池荷電量。
3 結(jié)論與展望
由以上在敞開和密封體系中觸發(fā)鋰離子電池?zé)崾Э貙嶒炑芯康南嚓P(guān)數(shù)據(jù)和特征分析可得出以下結(jié)論：
（1）不論鋰離子電池處于何種環(huán)境體系中，當(dāng)鋰離子電池的荷電量越高，鋰離子電池發(fā)生熱失控的時間就越短，釋放的能量就越多。
（2）無論在敞開體系還是密封體系，50%SOC鋰離子電池?zé)崾Э剡^程各階段變化均明顯，固將其做為參照對象。而觸發(fā)0%SOC鋰離子電池發(fā)生熱失控過程中，由于電量過低電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)緩慢，沒有出現(xiàn)明顯的初爆和燃爆階段現(xiàn)象，而整個熱失控過程只出現(xiàn)電池正極泄壓孔噴射煙霧現(xiàn)象；100%SOC鋰離子電池發(fā)生熱失控過程中，由于電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)迅速，只出現(xiàn)燃爆階段現(xiàn)象而沒有出現(xiàn)初爆階段現(xiàn)象。
（3）50%、100%SOC鋰離子電池在密封體系中發(fā)生燃爆的時間大于敞開體系中鋰離子電池發(fā)生燃爆的時間，而密封體系中電池單體發(fā)生熱失控達到的最高溫度小于敞開體系中鋰離子電池發(fā)生熱失控的最高溫度，得出密封環(huán)境體系可以延緩鋰離子電池發(fā)生熱失控的時間，并降低鋰離子電池?zé)崾Э蒯尫诺哪芰俊?/p>
（4）航空運輸鋰離子電池過程中，鋰離子電池儲電量越低航空運輸越安全。密封環(huán)境雖然有效的限制了鋰離子電池?zé)崾Э?，但熱失控釋放氣體造成密封環(huán)境壓力的增加要引起注意，需做好密封環(huán)境的泄壓工作，防止二次災(zāi)害。
鋰離子電池?zé)崾Э剡^程是一種非常復(fù)雜的化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)過程，本文只是在敞開和密封環(huán)境體系下，初步探究了基于外部熱源過熱作用下18650型鋰離子電池的熱失控特性，而對于其他類型鋰離子電池的熱失控過程還需進一步的實驗研究，同時還要進一步分析鋰離子電池的熱失控傳播，并開展大容量、大規(guī)模鋰離子電池組與航空動力鋰電池的熱失控傳播實驗。針對密封環(huán)境體系下，進一步研究鋰離子電池發(fā)生熱失控的壓力變化；以及在低壓環(huán)境下，研究單個和多個鋰離子電池發(fā)生熱失控時的壓力變化，為航空安全運輸鋰離子電池提供數(shù)據(jù)及技術(shù)支撐。
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