鋰離子電池組件燃燒性及危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

王蘭 程樹(shù)國(guó)

河南華瑞高新材料有限公司 河南新鄉(xiāng) 453000

鋰離子電池作為汽車(chē)領(lǐng)域、電能領(lǐng)域的重要能量形式，在某些層面上會(huì)給電動(dòng)汽車(chē)、電網(wǎng)儲(chǔ)能提供源源不斷的電力支持。但是需要注意的是，一旦鋰離子電池出現(xiàn)燃燒或者爆炸等不良反應(yīng)，火勢(shì)會(huì)瞬時(shí)迅猛且難以撲滅。燃燒過(guò)程所產(chǎn)生的大量煙霧會(huì)對(duì)人體呼吸道等重要部位產(chǎn)生直接刺激，如果不加以及時(shí)整治，勢(shì)必會(huì)對(duì)人身安全造成極大危害。根據(jù)當(dāng)前研究情況來(lái)看，研究人員針對(duì)鋰離子電池安全性研究問(wèn)題只局限于火災(zāi)誘發(fā)因素、安全檢測(cè)等方面。對(duì)于鋰離子電池火災(zāi)發(fā)生后的問(wèn)題及作用機(jī)理，尚未進(jìn)行針對(duì)性研究，亟待解決。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備部分

1.1 研究對(duì)象

目前，國(guó)內(nèi)鋰離子電池多以磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池以及三元電池為主要表現(xiàn)形式，經(jīng)常用于動(dòng)力電池、儲(chǔ)能電池當(dāng)中。針對(duì)于此，本文主要以上述3種鋰離子電池為研究對(duì)象。首先，將電池處于充滿(mǎn)狀態(tài)。其次，靜置12h后，利用充滿(mǎn)氬氣的手套箱整理上述鋰離子電池，如解剖，取出正極片、負(fù)極片、隔膜等攜帶電解液的組件[1]。

1.2 測(cè)試準(zhǔn)備

關(guān)于測(cè)試準(zhǔn)備工作，本文主要以錐形量熱儀為主要測(cè)試設(shè)備。測(cè)試環(huán)境溫度控制在23℃左右、濕度控制在45%左右。取出試驗(yàn)樣品水平放置在保護(hù)裝置上，在這里建議最好優(yōu)先選用不銹鋼絲保護(hù)。究其原因，主要是因?yàn)榉乐箻悠烦霈F(xiàn)變形等問(wèn)題。在樣品試驗(yàn)次數(shù)方面，建議試驗(yàn)人員應(yīng)該反復(fù)進(jìn)行多次試驗(yàn)后，再確定試驗(yàn)結(jié)果。需要注意的是，關(guān)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)最好利用錐形量熱儀進(jìn)行采集與分析。

2 電池組件熱參數(shù)分析

根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果來(lái)看，磷酸鐵鋰電池組件、錳酸鋰電池組件以及三元電池組件在引燃之后，在某個(gè)瞬間都可以達(dá)到一個(gè)峰值。達(dá)到峰值點(diǎn)之后，3種電池組件分別出現(xiàn)了不同程度的熱釋放速率下降現(xiàn)象。究其原因，主要是因?yàn)椴煌再|(zhì)的電池組件在燃燒性特質(zhì)方面存在較大差異[2]。造成這種差異現(xiàn)象的根本原因在于燃燒性特質(zhì)差異以及組件材料本身可燃程度差異、電池組件配方等。從客觀角度上來(lái)看，鋰離子電池主要以液態(tài)有機(jī)物作為溶劑，如碳酸二甲酯酯、碳酸乙烯酯等。上述液態(tài)有機(jī)物溶劑具備易燃性，在輻射條件下電池組件會(huì)釋放出大量氣態(tài)揮發(fā)物。

需要注意的是，當(dāng)氣相中可燃物濃度達(dá)到臨界數(shù)值之后，樣品會(huì)在臨界條件下迅速燃燒，此時(shí)，鋰離子電池各組件的熱釋放速率會(huì)急劇升高，待耗盡之后，熱釋放速率會(huì)發(fā)生大幅度下降反應(yīng)。此后，固相可燃物將會(huì)發(fā)生燃燒反應(yīng)。根據(jù)反復(fù)實(shí)踐證明，磷酸鐵鋰電池組件、錳酸鋰電池組件以及三元電池組件在引燃之后，石墨負(fù)極是最先被點(diǎn)燃的部分，其次是正極、隔膜等組件。因此可以說(shuō)明，石墨負(fù)極是最容易被點(diǎn)燃的部分。另外，在相同輻射強(qiáng)度作用下，石墨負(fù)極所產(chǎn)生的熱釋放強(qiáng)度也是組件成分中最高的。足以見(jiàn)得，鋰離子電池中的石墨負(fù)極是整個(gè)組件體系最容易著火的部分，同時(shí)也是熱釋放強(qiáng)度最高的部分。

3 鋰離子電池組件燃燒性及危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

3.1 燃燒性能差異

磷酸鐵鋰電池組件、錳酸鋰電池組件以及三元電池組件都是以石墨材料作為負(fù)極，在電解液的選擇方面也多以碳酸酯類(lèi)為主。區(qū)別之處在于正極材料存在不同，且電解液添加劑也有所不同。根據(jù)上述試驗(yàn)過(guò)程可知，3種鋰離子電池在錐形量熱儀測(cè)試結(jié)果方面存在一定差異。

究其原因，主要是因?yàn)殡姵夭牧先紵c受熱分解過(guò)程存在差異性，或者是電解液成分，如溶劑組分、添加劑種類(lèi)等存在不同。最重要的是，3種鋰離子電池在隔膜、負(fù)極成分方面存在一定差異，導(dǎo)致鋰離子電池組件燃燒性能存在不同程度的差異情況[3]。

3.2 AHP法電池火災(zāi)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)機(jī)制

一般來(lái)說(shuō)，火災(zāi)危險(xiǎn)主要集中以熱危險(xiǎn)與煙氣危險(xiǎn)為主。其中，熱危險(xiǎn)集中以放熱危險(xiǎn)、火勢(shì)增長(zhǎng)危險(xiǎn)為主；煙氣危險(xiǎn)集中以發(fā)煙危險(xiǎn)、煙氣毒害風(fēng)險(xiǎn)為主。結(jié)合AHP法火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)機(jī)制可知，電池組件燃燒參數(shù)會(huì)根據(jù)性質(zhì)不同或者其他特征不同，劃分為易燃性、釋熱性等種類(lèi)。在具體試驗(yàn)過(guò)程中，我們需要根據(jù)上述表征特點(diǎn)，針對(duì)參數(shù)問(wèn)題進(jìn)行合理劃分，構(gòu)建鋰離子電池火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)機(jī)制或者相關(guān)體系。

電池組件的火災(zāi)危險(xiǎn)性指數(shù)在某些層面上綜合電池組件特性，如燃燒熱危險(xiǎn)、煙氣危險(xiǎn)等因素，通過(guò)綜合比較得出不同組件火災(zāi)危險(xiǎn)性程度，并按照定量分析方式確定火災(zāi)危險(xiǎn)性程度。根據(jù)AHP法的分析可知，磷酸鐵鋰電池組件、錳酸鋰電池組件以及三元電池組件在引燃之后，石墨負(fù)極是最先被點(diǎn)燃的部分，其次是正極、隔膜等組件。需要注意的是，磷酸鐵鋰正極火災(zāi)危險(xiǎn)性程度明顯大于石墨負(fù)極，究其原因，主要是因?yàn)榱姿徼F鋰正極生煙性強(qiáng)度明顯高于石墨負(fù)極。

4 結(jié)語(yǔ)

從易燃性與釋熱性角度上來(lái)看，鋰離子電池中的石墨負(fù)極是整個(gè)組件體系最容易著火的部分，同時(shí)也是熱釋放強(qiáng)度最高的部分，其次是隔膜、正極。從生煙性特質(zhì)上來(lái)看，隔膜的不完全燃燒往往是造成鋰離子電池燃燒過(guò)程產(chǎn)生大量煙氣的主要原因，再加上受到電極材料燃燒與熱分解的作用機(jī)理，電池組件火災(zāi)危險(xiǎn)性程度會(huì)更高。結(jié)合AHP法進(jìn)行計(jì)算與分析可知，三類(lèi)鋰離子電池體系中的隔膜組件是造成火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題的主要因素。究其原因，主要是因?yàn)楦裟後尫潘俾瘦^高，且一氧化碳、二氧化碳等含量濃度較高。針對(duì)于此，建議研究人員應(yīng)該將防范重點(diǎn)放在上述組件位置當(dāng)中，盡可能地規(guī)避火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。