常見三元鋰電池熱失控過程分析

顧衛(wèi)娟 黃文曉 楊云 張金專 金靜 王鑫玉

(1.?？谑邢谰仍ш?海口070100； 2.中國人民警察大學(xué)研究生院 河北廊坊 065000；3.中國人民警察大學(xué)偵查學(xué)院 河北廊坊 065000)

0 引言

三元鋰電池因其能量密度高、低溫性能好等優(yōu)點，被越來越多的交通工具生產(chǎn)企業(yè)選擇作為其產(chǎn)品的動力源[1]。但是近年來，因三元鋰電池不合理使用造成熱失控引發(fā)的火災(zāi)，對人民的生命和財產(chǎn)安全構(gòu)成了極大威脅[2]。視頻分析技術(shù)在當今的火災(zāi)調(diào)查工作中扮演著重要角色，其既能在非接觸火場的前提下進行痕跡勘驗，又能對火災(zāi)過程等信息進行時空記錄[3-4]，越來越多的火災(zāi)事故調(diào)查工作依靠視頻分析技術(shù)得以順利開展[5]。本文對常見的三元鋰電池通過加熱板高溫誘發(fā)熱失控，由攝像機記錄其熱失控過程，利用視頻分析結(jié)合其熱失控過程的熱流變化，研究不同類型三元鋰電池的熱失控過程特征規(guī)律，對于研究三元鋰電池火災(zāi)的起火原因、起火過程等火災(zāi)調(diào)查工作具有重要意義。

1 實驗過程

1.1 實驗材料與設(shè)備

根據(jù)三元鋰電池中鎳(Ni)、鈷(Co)和錳(Mn)的比例不同，選取商業(yè)化的4種常見類型三元鋰電池：NCM111、NCM523、NCM622、NCM811，鋰電池單體的尺寸為26.5 mm×91.6 mm×148.5 mm，電池單體的質(zhì)量為844 g，每塊電池的SOC值為100%；加熱鋰電池的加熱板功率為700 W，三元鋰電池模組采用4塊鋰電池單體串聯(lián)組成。

1.2 實驗?zāi)Ｐ?/h3>

將4塊同等型號規(guī)格的鋰離子電池用金屬框架固定在地面上，電池的右側(cè)緊貼加熱板，如圖1所示。為防止散熱的影響，在加熱板和金屬框架之間放置隔熱板，隔熱板的尺寸和電池的尺寸一致，具體實物如圖2所示。在加熱板的作用下，1#電池會先發(fā)生熱失控，出現(xiàn)電池噴發(fā)現(xiàn)象；當1#電池噴發(fā)后，立即關(guān)閉加熱器的電源，隨后的2#～4#電池依次在前一節(jié)熱失控電池傳熱的作用下發(fā)生熱失控。在距離電池組25 cm處布置一個輻射熱流計，記錄實驗過程中熱流變化，實驗時通過攝像機記錄其熱失控的過程，具體實驗布置如圖3所示。實驗場地為6 m×4 m×3.5 m的空曠房間。

圖1 電池布置

圖2 電池實物

(a)實驗布置情況

2 實驗分析

2.1 不同型號電池組中1#電池熱失控時特征分析

對4種三元鋰電池組進行熱失控實驗，每組的1#電池在加熱板的作用下內(nèi)部升溫，進而引發(fā)鋰電池熱失控。每組1#電池熱失控的前期都是先釋放出少量白色煙氣，緊隨著就是劇烈的熱失控過程。

在相同的加熱條件下，各組中1#電池開始發(fā)生熱失控時的煙氣釋放特征如圖4所示。在發(fā)生熱失控的瞬間，4種不同型號三元鋰電池中NCM111釋放出的煙氣濃度最大，煙氣顏色相對最濃黑，其后依次為NCM523、NCM622、NCM811；在幾種鋰電池熱失控噴發(fā)瞬間，NCM111和NCM523有少量的火星和顆粒物噴出，NCM622有大量的火星和顆粒物噴出，NCM811無火星和顆粒物噴出。

(a)NCM111 (b)NCM523 (c)NCM622 (d)NCM811圖4 不同型號電池組1#電池開始失控時特征

2.2 不同型號電池組中1#電池熱失控過程分析

對于4組不同型號的三元鋰電池模組，其各自1#電池發(fā)生熱失控所經(jīng)歷的時間為10～20 s，每種三元鋰電池由于其內(nèi)部鎳(Ni)、鈷(Co)和錳(Mn)的比例不同，所以在發(fā)生熱失控過程中表現(xiàn)出不同的煙氣和火焰特征。根據(jù)每組1#電池在失控過程中所表現(xiàn)出的明顯煙氣和火焰特征變化，將每個電池模組的1#電池熱失控過程分為4個階段，標明每個階段所經(jīng)歷的時間，分析各型號三元鋰電池熱失控過程，對比不同三元鋰電池的熱失控特征。

NCM111電池組1#電池熱失控過程如圖5所示。NCM111鋰電池在熱失控的整個過程中不產(chǎn)生火焰，只有少許火星噴出；失控的前期產(chǎn)生的煙氣較淡，隨后煙氣顏色變濃黑，但是在最后階段冒出灰白色煙氣；失控過程的階段3經(jīng)歷時間接近10 s，該階段產(chǎn)生大量濃黑煙氣。

(a)階段1(0.2 s) (b)階段2(1.19 s) (c)階段3(9.56 s) (d)階段4(1.68 s)圖5 NCM111電池組1#電池熱失控過程

NCM523電池組1#電池熱失控過程如圖6所示。NCM523鋰電池在整個失控過程中未產(chǎn)生明火，噴出大量的火星和顆粒物；在熱失控的前期煙氣較淡，由于煙氣中伴隨著大量的火星，整體呈現(xiàn)出橘紅色，在失控的最后階段噴射出大量的淡灰色煙氣；失控過程的階段3產(chǎn)生大量的濃黑煙氣，該階段經(jīng)歷時間也最長，為6.23 s。

(a)階段1(2.48 s) (b)階段2(1.94 s) (c)階段3(6.23 s) (d)階段4(2.07 s)圖6 NCM523電池組1#電池熱失控過程

NCM622電池組1#電池熱失控過程如圖7所示。NCM622鋰電池在失控過程中產(chǎn)生明顯的火焰和較少的煙氣，火焰在鋰電池噴射口上方斷續(xù)噴出，火焰最高可達135 cm；在失控的后期階段火焰消失，產(chǎn)生淡白色濃煙；失控過程的階段3經(jīng)歷時間最長，該階段主要噴射出斷續(xù)的火焰。

(a)階段1(1.03 s) (b)階段2(0.2 s) (c)階段3(7.18 s) (d)階段4(3.17 s)圖7 NCM622電池組1#電池熱失控過程

NCM811電池組1#電池熱失控過程如圖8所示。NCM811鋰電池在失控過程中產(chǎn)生明顯的連續(xù)火焰，火焰從電池噴射口噴出，只在階段1產(chǎn)生明顯黑色煙氣；失控過程的階段4經(jīng)歷時間最長，為7.14 s，該階段噴射出的火焰高度接近120 cm。

由圖5～圖8可以看出，不同型號的三元鋰電池表現(xiàn)出不同的熱失控特征。首先，直觀上可以看出，NCM111和NCM523在熱失控過程中具有一定的相似性，兩者都產(chǎn)生大量煙氣，且在整個失控過程一直以噴射出大量濃煙氣為主；不同的是NCM523較NCM111產(chǎn)生的火星和顆粒物更多，其噴射高度也更高。NCM622、NCM811與NCM111、NCM523相比明顯不同是，其熱失控過程產(chǎn)生的煙氣量較少，煙氣顏色較淡，但是均產(chǎn)生猛烈的火焰；其中NCM622產(chǎn)生的火焰不連續(xù)，有一定的間斷性，有可燃氣體噴出，在電池噴射口上方空中燃燒形成火球和火焰，火焰的最高噴射高度達135 cm，熱失控后期有灰白色煙霧不斷冒出。NCM811與NCM622的不同點是，其熱失控過程產(chǎn)生的火焰連續(xù)噴射出，噴射強度相對較弱，最高火焰噴射高度達120 cm。

(a)階段1(2.96 s) (b)階段2(3.46 s) (c)階段3(1.66 s) (d)階段4(7.14 s)圖8 NCM811電池組1#電池熱失控過程

4種不同型號鋰電池熱失控結(jié)束時，實驗房間的煙氣濃度情況如圖9所示。NCM111和NCM523電池在熱失控結(jié)束時產(chǎn)生的煙氣量將要充滿整個實驗房間，而NCM622和NCM811電池熱失控產(chǎn)生的煙氣則遠遠沒有充滿實驗房間。NCM111和NCM811產(chǎn)生的煙氣顏色較深，NCM523和NCM622產(chǎn)生的煙氣顏色則較淺，主要是白色煙氣。

(a)NCM111 (b)NCM523 (c)NCM622 (d)NCM811圖9 不同型號電池組1#電池熱失控結(jié)束

2.3 不同型號電池組熱失控過程時間分析

不同型號鋰電池組在熱失控實驗中每塊電池的失控時間記錄分析如表1所示。觸發(fā)1#電池熱失控所需時間最長的是NCM523，為3 min 52 s；所需時間最短的是NCM622，為2 min 34 s。1#電池熱失控經(jīng)歷時間最長的是NCM111，為18 s；經(jīng)歷時間最短的是NCM622，為10 s。每塊鋰電池單體熱失控過程經(jīng)歷時間最長的是NCM523，經(jīng)歷時間最短的是NCM622。前一塊電池單體失控結(jié)束到后一塊電池單體失控開始，經(jīng)歷時間最長的是NCM111，經(jīng)歷時間最短的是NCM523。整個熱失控過程時間最長的是NCM111，為11 min 25 s；整個熱失控過程時間最短的是NCM622，為6 min 50 s。從每塊鋰電池單體熱失控經(jīng)歷時間和整個電池組熱失控過程時間看，NCM523和NCM811電池具有一定的相似性。

表1 不同型號電池組熱失控過程時間分析

2.4 不同型號電池組熱失控過程輻射熱流分析

4種電池組在熱失控實驗過程中輻射熱流的變化情況如圖10所示。每組電池在熱失控實驗中都會出現(xiàn)多個熱流峰值，其中NCM111、NCM523和NCM811電池都是第一個峰值最大，NCM622電池則是最后一個峰值最大。從峰值大小來看，由于NCM111電池在整個實驗過程中幾乎沒有出現(xiàn)明火，所以其輻射熱流相對最小，最大輻射熱流量為138.9 W/m2；NCM523電池在實驗過程中噴射出大量的火星和熱顆粒物，最大輻射熱流量為8 346.2 W/m2；NCM622電池在實驗過程中噴射出猛烈的火焰，所以其輻射熱流最大，最大輻射熱流量為328 215.1 W/m2；NCM811電池在實驗過程中噴射出連續(xù)的火焰，最大輻射熱流量為135 388.7 W/m2。

(a)NCM111

3 結(jié)論

(1)4種三元鋰電池組1#電池開始熱失控時，產(chǎn)生煙氣濃度由大到小的順序為：NCM111、NCM523、NCM622、NCM811，其中NCM622伴有火星和顆粒物噴出。

(2)NCM111和NCM523的1#電池在熱失控過程中產(chǎn)生大量煙氣，不產(chǎn)生明火；NCM622和NCM811的1#電池在熱失控過程中產(chǎn)生猛烈火焰，生成較少煙氣；NCM622的1#電池產(chǎn)生斷續(xù)噴射火焰，火焰高度達135 cm；NCM811的1#電池產(chǎn)生連續(xù)火焰，火焰高度達120 cm。

(3)整個電池組熱失控過程時間最長的是NCM111，最短的是NCM622；NCM523和NCM811在熱失控的時間上具有一定的相似性。

(4)在整個實驗過程中，鋰電池的熱輻射流量出現(xiàn)多個峰值，其中NCM111、NCM523和NCM811電池都是第一個峰值最大，NCM622電池是最后一個峰值最大。在各電池組中，NCM622的熱流量峰值最大，約為328 kW/m2。