氧化鈣對微米級鋰電粉塵惰化的試驗(yàn)研究

王銀安,武星軍,謝小鵬,王新華,陳冬青,劉英杰,劉柏清

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣東 廣州 510641;2.廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院,廣東 廣州 510180)

0 引言

新能源電動汽車近年來發(fā)展迅速,僅2020年中國鋰離子電池產(chǎn)能就已約占世界產(chǎn)能的77%,在全球排名前五的鋰離子電池制造商中,中國企業(yè)達(dá)到2家,分別是寧德時代和比亞迪[1]。鋰電池生產(chǎn)過程會產(chǎn)生大量易燃易爆鋰電粉塵,一旦發(fā)生爆炸就會造成重大安全事故[2]。2014年8月2日,江蘇昆山市中榮金屬制品有限公司“8·2”特別重大鋁粉塵爆炸事故造成重大人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失,為避免類似粉塵爆炸事故發(fā)生,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行一系列相關(guān)研究,Zhang等[3]、Lin等[4]、方偉等[5]、武林湲等[6]對鎂粉、鋁粉、油頁巖粉等爆炸敏感度和爆炸強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究,并取得不少成果,這些成果對于認(rèn)清粉塵爆炸的危害至關(guān)重要。惰化保護(hù)是通過向被保護(hù)的設(shè)備中通入惰性氣體或添加惰性粉塵,防止設(shè)備內(nèi)可燃粉塵或氣體發(fā)生爆炸的1種惰化防爆技術(shù)[7]。黃子超[8]使用20 L球形爆炸測試裝置測試不同鋁粉、抑爆劑濃度條件下的爆炸特性參數(shù),得出隨抑爆劑濃度的增加爆炸逐漸減弱,當(dāng)質(zhì)量占比達(dá)到53%時,鋁粉完全惰化。仝校炎等[9]使用標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)裝置研究超細(xì)CaCO3惰性粉對鋁合金拋光粉爆炸特性的影響。呂相宇等[10]利用Godbert-Greenwald恒溫爐研究惰性粉體對硬脂酸粉最低著火溫度影響,得出惰性粉的添加可有效提升硬脂酸粉塵云的最低著火溫度。馮曉美等[11]為了更好了解粉塵爆炸特性和防治措施,對粉塵爆炸機(jī)理以及惰化技術(shù)等幾方面進(jìn)行詳細(xì)闡述。Amyotte[12]、Addai等[13]研究惰性粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對可燃粉塵的爆炸特性的影響。張術(shù)琳[14]研究氣固兩相抑制鋁粉爆炸的協(xié)同規(guī)律,并建立相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型,揭示鋁粉塵爆炸抑制機(jī)理。靳紅旺[15]使用自行搭建的有機(jī)玻璃豎直管道研究不同粒徑Al2O3對5 μm鋁粉爆炸超壓和火焰?zhèn)鞑サ挠绊懸?guī)律,進(jìn)而揭示氧化鋁的抑爆機(jī)理。

目前,關(guān)于鋰電池生產(chǎn)相關(guān)粉塵的爆炸特性及爆炸防治技術(shù)的研究還較為少見,為預(yù)防鋰電池生產(chǎn)過程粉塵爆炸事故發(fā)生,本文以微米級鋰電粉塵為研究對象,使用粉塵云最小點(diǎn)燃能量測試系統(tǒng)和20 L球形爆炸測試裝置,研究氧化鈣對鋰電粉塵最小點(diǎn)燃能量、最大爆炸壓力和最大壓力上升速率的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)樣品與試驗(yàn)裝置

1.1 試驗(yàn)樣品

測試樣品鋰電粉塵和惰性粉末氧化鈣如圖1所示,本文測試樣品鋰電粉塵為新能源車間正極極片模切過程中產(chǎn)生的混合粉塵,其主要成分為鎳鈷錳酸鋰粉塵和鋁粉塵,平均粒徑為38 μm。鋰電粉塵主要成分含量如圖2所示。

圖1 鋰電粉塵及氧化鈣粉塵Fig.1 Lithium battery dust and calcium oxide dust

圖2 樣品成分 Fig.2 Compositions of samples

1.2 試驗(yàn)裝置

本文使用的測試裝置有粉塵云最小點(diǎn)燃能量測試裝置、20 L球形爆炸測試裝置[16]。粉塵云最小點(diǎn)火能量測試裝置如圖3所示,包括哈特曼管、儲氣罐、進(jìn)氣閥、噴粉閥、噴頭、點(diǎn)火裝置等。點(diǎn)火裝置是粉塵云最小點(diǎn)火能量測試裝置的核心部件,其功能是通過電容放電產(chǎn)生不同能量的電火花,能量調(diào)節(jié)方式是改變電容組電壓和電容,觸發(fā)方式是移動電極或高壓開關(guān)。哈特曼管容積為1.2 L,粉塵放置在哈特曼管底部盛粉室,開通進(jìn)氣閥、噴粉閥,利用壓縮氣體,使鋰電粉塵在哈特曼管內(nèi)形成粉塵云,然后點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃粉塵云。

圖3 粉塵云最小點(diǎn)燃能量測試裝置Fig.3 Test system for MIE of dust cloud

20 L球形爆炸測試裝置如圖4所示,包括20 L爆炸罐、點(diǎn)火系統(tǒng)、粉塵分散系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等,通過真空泵將爆炸罐內(nèi)抽至特定真空度,粉塵分散系統(tǒng)使鋰電粉塵在爆炸罐內(nèi)形成粉塵云,點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)燃化學(xué)點(diǎn)火頭,同時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用壓力傳感器采集壓力信號并傳給計(jì)算機(jī)。

圖4 20 L球形爆炸測試裝置Fig.4 20 L spherical explosion test device

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 氧化鈣對鋰電粉塵最小點(diǎn)燃能量的影響

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E2019-03[17],使用粉塵云最小點(diǎn)燃能量測試裝置進(jìn)行測試。試驗(yàn)環(huán)境溫度是18 ℃,濕度是42% RH,電極間距6 mm,放電電壓8 000 V,鋰電粉塵和氧化鈣混合粉塵配比關(guān)系分別為純鋰電粉塵、1∶5、1∶6,混合粉塵云質(zhì)量濃度分別為1 000,2 000,3 000 g/m3,點(diǎn)火延遲時間分別為60,90,120,150 ms,設(shè)置不同的放電能量進(jìn)行測試,測試數(shù)據(jù)如表1～3所示。

表1 鋰電粉塵最小點(diǎn)燃能量測試數(shù)據(jù)Table 1 MIE test data of lithium battery dust

由表1可知,設(shè)置粉塵質(zhì)量濃度為3 000 g/m3,點(diǎn)火延時為90 ms,當(dāng)放電能量取30 mJ時著火,當(dāng)放電能量取10 mJ時不著火;保持點(diǎn)火能量10 mJ不變,改變粉塵質(zhì)量濃度和點(diǎn)火延時,均不著火。由表2～3可知,當(dāng)放電能量設(shè)定為1 000 mJ時著火,當(dāng)放電能量設(shè)定為300 mJ時均不著火。粉塵云最小點(diǎn)燃能量(MIE)滿足W1

表2 混合粉塵云(1∶5)最小點(diǎn)燃能量測試數(shù)據(jù)Table 2 MIE test data of mixed dust cloud (1∶5)

2.2 混合粉塵不同配比對爆炸強(qiáng)度的影響

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1226-19[18],使用20 L球形爆炸測試裝置進(jìn)行最大爆炸壓力測試,點(diǎn)火源是2個能量為5 kJ的化學(xué)點(diǎn)火具,鋰電粉塵和混合粉塵質(zhì)量濃度均設(shè)置為500 g/m3,測試在常溫條件下完成,測試數(shù)據(jù)如表4所示,混合粉塵配比對最大爆炸壓力和最大壓力上升速率的影響規(guī)律如圖5所示。Pm是粉塵云在某一質(zhì)量濃度下的最大爆炸壓力,(dP/dt)ex是粉塵云在某一質(zhì)量濃度下的最大壓力上升速率。

表4 混合粉塵最大爆炸壓力測試數(shù)據(jù)Table 4 Maximum explosion pressure test data of mixed dust

圖5 不同氧化鈣質(zhì)量濃度下的混合粉塵爆炸特性參數(shù)Fig.5 Explosion characteristic parameters of mixed dust under different mass concentrations of calcium oxide

根據(jù)表4和圖5可知,向鋰電粉塵中添加惰性粉氧化鈣,可明顯降低粉塵云最大爆炸壓力和最大壓力上升速率,隨混合粉塵中氧化鈣比例的增加,粉塵云最大爆炸壓力和最大壓力上升速率逐漸減小,但3種不同配比混合粉塵云爆炸強(qiáng)度變化幅度較小。氧化鈣對鋰電粉塵具有較好的惰化效果,添加氧化鈣后,混合粉塵云爆炸強(qiáng)度大大降低,爆炸危險性明顯減弱,這是由于添加惰性粉塵氧化鈣不僅可以稀釋氧氣濃度,而且可以阻礙鋰電粉塵之間爆炸能量的傳播。

2.3 混合粉塵云(1∶6)質(zhì)量濃度對爆炸強(qiáng)度的影響

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1226-19[18],使用20 L球形爆炸測試裝置對混合粉塵云(1∶6)進(jìn)行最大爆炸壓力及爆炸指數(shù)測試,點(diǎn)火源是2個能量為5 kJ的化學(xué)點(diǎn)火具,設(shè)置混合粉塵云(1∶6)質(zhì)量濃度分別為250,500,750,1 000 g/m3,測試在常溫條件下完成,測試數(shù)據(jù)如表5所示,Pm是粉塵云在某一質(zhì)量濃度下的最大爆炸壓力,(dP/dt)ex是粉塵云在某一質(zhì)量濃度下的最大壓力上升速率?；旌戏蹓m云質(zhì)量濃度對最大爆炸壓力影響規(guī)律如圖6所示,橫坐標(biāo)是混合粉塵云質(zhì)量濃度,縱坐標(biāo)是某質(zhì)量濃度下3次測試的最大爆炸壓力平均值。

表5 混合粉塵(1∶6)最大爆炸壓力測試數(shù)據(jù)Table 5 Maximum explosion pressure test data of mixed dust (1∶6)

圖6 混合粉塵(1∶6)質(zhì)量濃度對最大爆炸壓力的影響Fig.6 Influence of mixed dust (1∶6) mass concentration on maximum explosion pressure

根據(jù)表5和圖6可知,混合粉塵質(zhì)量濃度為250 g/m3時不發(fā)生爆炸,當(dāng)混合粉塵質(zhì)量濃度超過500 g/m3時,隨質(zhì)量濃度增加,Pm和(dP/dt)ex總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,存在峰值。這是由于,當(dāng)混合粉塵質(zhì)量濃度較低時,爆炸腔體內(nèi)氧含量相對充足,隨質(zhì)量濃度增加,混合粉塵與氧氣快速反應(yīng)釋放的能量逐漸增大;當(dāng)混合粉塵質(zhì)量濃度超過最大爆炸壓力濃度時,爆炸腔體內(nèi)氧含量不足以支撐粉塵完全反應(yīng),未與氧氣反應(yīng)的粉塵可吸收爆炸釋放的能量,隨濃度增加,Pm和(dP/dt)ex逐漸減小。

爆炸指數(shù)Kst計(jì)算如式(1)所示:

Kst=(dP/dt)maxV1/3

(1)

式中:(dP/dt)max是最大的3組(dP/dt)ex的均值;V是爆炸罐體積,m3,取V=0.02 m3。

最大爆炸壓力Pmax是最大的3組Pm的平均值,根據(jù)表5和式(1)可計(jì)算得到混合粉塵最大爆炸壓力及爆炸指數(shù)分別為Pmax=0.285 3 MPa,Kst=2.598 9 MPa·m/s。

選取混合粉塵(1∶6)質(zhì)量濃度為750 g/m3,其爆炸壓力曲線如圖7所示,隨時間的增加,混合粉塵云爆炸壓力曲線呈先增大后減小的趨勢,并可分為5個階段:1)爆炸罐抽真空階段A～B;2)粉塵云形成階段B～C;3)爆炸前半段C～E;4)爆炸過度階段E～F;5)爆炸后半段F～G。

圖7 混合粉塵(1∶6)爆炸壓力曲線Fig.7 Explosion pressure curve of mixed dust (1∶6)

3 結(jié)論

1)純鋰電粉塵最小點(diǎn)燃能量范圍為10～30 mJ,鋰電粉塵和氧化鈣混合粉塵(1∶5,1∶6)最小點(diǎn)燃能量范圍為300～1 000 mJ,添加惰性粉氧化鈣,可明顯提高最小點(diǎn)燃能量,降低爆炸敏感度。

2)添加惰性粉氧化鈣,可明顯降低粉塵云最大爆炸壓力和最大壓力上升速率,隨混合粉塵中氧化鈣比例的增加,粉塵云最大爆炸壓力和最大壓力上升速率逐漸減小,氧化鈣對鋰電粉塵具有較好的惰化效果,添加氧化鈣后,混合粉塵云爆炸強(qiáng)度大大降低,爆炸危險性明顯減弱。

3)鋰電粉塵和氧化鈣混合粉塵(1∶6)的最大爆炸壓力及爆炸指數(shù)分別為:Pmax=0.285 3 MPa,Kst=2.598 9 MPa·m/s,隨質(zhì)量濃度的增加,混合粉塵(1∶6)的Pm和(dP/dt)ex總體呈先增大后減小的趨勢。

4)氧化鈣對鋰電粉塵主要是物理惰化,具體方式包括稀釋鋰電粉塵濃度、稀釋氧濃度、物理吸熱、阻礙熱傳導(dǎo)等。