鋰電池環(huán)境試驗設(shè)備原理概述

王志鵬 ，馬軍，林文表，傅釗，鄭昆*

（ 1.廣州五所環(huán)境儀器有限公司，廣州 511370； 2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 511370）

引言

目前鋰電池在手機(jī)、筆記本、電動自行車、電動汽車等各行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，其使用的環(huán)境愈加復(fù)雜和苛刻，隨著應(yīng)用范圍的逐漸擴(kuò)充和電池性能要求的不斷提高，鋰電池的能量密度和容量越來越大，鋰電池在不同環(huán)境下安全事故的幾率也隨之增大[1,2]。鋰電池使用過程中的安全性問題日益得到重視，需要對其在不同環(huán)境下安全性進(jìn)行評估和測試，因此研制一臺具有防護(hù)功能的鋰電池環(huán)境試驗設(shè)備具有重要意義。

1 鋰電池安全性測試分析

作為高能量載體的鋰電池，其安全性問題主要集中在燃燒或爆炸。當(dāng)鋰電池在外部高溫、過充、內(nèi)部制造缺陷等狀態(tài)下使用時，會引起電池短路，內(nèi)部溫度會不斷升高，進(jìn)而可引起電池內(nèi)部將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量與氣體，電池自身熱管理失控，當(dāng)積累到一定程度就會引起電池的著火、爆炸。鋰電池燃燒爆炸機(jī)理見圖1 所示[3-6]。

圖1 鋰電池燃燒爆炸機(jī)理

2 設(shè)備設(shè)計方案

2.1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求

鋰電池常用的國家標(biāo)準(zhǔn)有GB 38031-2020 《電動汽車用動力蓄電池安全要求》、GB/T 36972-2018《電動自行車用鋰離子蓄電池》，標(biāo)準(zhǔn)中檢測項目對環(huán)境的要求如表1、表2 所示。

表1 GB 38031-2020 檢測項目的主要環(huán)境條件[7]

表2 GB/T 36972-2018 檢測項目的主要環(huán)境條件

2.2 鋰電池環(huán)境試驗設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)及性能

1）具備泄壓、消防、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)等安全防護(hù)；

2）標(biāo)稱內(nèi)容積：1 m3；

3）溫度范圍：（-70 ～+150）℃；

4）溫度波動度：≤0.5 ℃；

5）溫度偏差：≤1.5 ℃；

6）溫度均勻度：≤2.0 ℃；

7）溫度最大變化速率：≥5 ℃/min（標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載下，入風(fēng)區(qū)控制點測量）；

8）濕度范圍：（20 ～98）%RH（如圖2，無有源濕、熱負(fù)載）；

圖2 溫濕度可控制范圍圖

9）相對濕度偏差：±3.0 %RH（濕度＞75 %RH 時），±5.0 %RH（濕度≤75 %RH 時）；

10）標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載：50 kg 鋁錠，無發(fā)熱。

2.3 消防裝置設(shè)計

消防裝置主要針對鋰電池在試驗過程中出現(xiàn)燃燒或爆炸時產(chǎn)生的火焰進(jìn)行滅火及燃燒爆炸后產(chǎn)生的煙霧、氣體進(jìn)行排風(fēng)等，主要包括滅火組件、排風(fēng)組件、測量組件等，消防裝置設(shè)計框圖如圖3 所示。

圖3 消防裝置設(shè)計框圖

測量組件由1.煙霧傳感器，2.溫度傳感器組成，煙霧傳感器安裝在試驗箱頂部，溫度傳感器粘貼在鋰電池外殼表面。測量組件的主要作用是實時監(jiān)測鋰電池在試驗過程箱內(nèi)有無煙霧產(chǎn)生及鋰電池表面溫度有無異常升高，當(dāng)煙霧傳感器檢測到箱內(nèi)有氣體產(chǎn)生或溫度傳感器檢測到鋰電池表面溫度在短時間內(nèi)急劇升高，則判定鋰電池已發(fā)生燃燒，進(jìn)而啟動滅火組件。

滅火組件由3.可調(diào)噴嘴，4.單向電磁閥，5.CO2滅火器組成?？烧{(diào)噴嘴安裝在試驗箱側(cè)頂部，其噴嘴朝向可手動調(diào)節(jié)朝向鋰電池的特定表面，單向電磁閥主要防止試驗箱內(nèi)氣體進(jìn)入滅火器；當(dāng)測量組件檢測到鋰電池燃燒時，CO2滅火劑經(jīng)噴嘴噴向鋰電池，進(jìn)而對鋰電池進(jìn)行滅火，滅火裝置啟動一定時間后停止，進(jìn)而啟動排風(fēng)組件。

排風(fēng)組件由6.單向電磁閥，7.空氣凈化器，8.離心風(fēng)機(jī)組成。滅火組件啟動一定時間后排風(fēng)組件啟動，將試驗箱內(nèi)的氣體排出室外。為防止鋰電池燃燒后的氣體對空氣造成污染，增加空氣凈化器將箱內(nèi)氣體凈化后再排向室外。

2.4 泄壓裝置設(shè)計

泄壓裝置主要針對鋰電池在試驗過程中出現(xiàn)燃燒或爆炸時使試驗箱內(nèi)產(chǎn)生的壓力進(jìn)行泄壓，以免對箱體產(chǎn)生破壞。泄壓裝置主要由1.防凝露頂板，2.泄壓口，3.網(wǎng)罩，4 防濺棒組成，其中泄壓口由5.鋁箔，6.隔熱材料，7.泄壓板，8.發(fā)熱絲等組成，泄壓裝置設(shè)計框圖如圖4、圖5 所示。當(dāng)箱內(nèi)壓力急劇升高時，泄壓口2 打開，使試驗箱內(nèi)部與外界大氣相通，進(jìn)而箱內(nèi)壓力迅速降低。當(dāng)泄壓動作發(fā)生時，防濺棒7 可擋住泄壓板、隔熱材料等，同時安裝在外箱頂部的網(wǎng)罩3 可罩住泄壓口，防止泄壓板7、保溫材料飛濺到室內(nèi)。

圖4 泄壓裝置設(shè)計框圖

圖5 泄壓口局部放大圖

泄壓口設(shè)計時需考慮泄壓位置、泄壓面積、泄壓壓力、不動作時密封性及防凝露等方面考慮。本鋰電池環(huán)境試驗設(shè)備的泄壓口在箱體頂部中間位置，泄壓面積結(jié)合內(nèi)箱容積、泄壓口開啟壓力、爆炸壓力上升速率而定，泄壓壓力通過使用表面貼有鋁箔的不銹鋼矩形網(wǎng)格薄板（泄壓板7）來實現(xiàn)，如圖6 所示。當(dāng)達(dá)到設(shè)定泄壓口開啟壓力時，網(wǎng)格板上的鋁箔沿接縫拉伸破壞，泄放箱內(nèi)氣體壓力，達(dá)到對箱體保護(hù)的作用。

圖6 網(wǎng)格泄壓板示意圖

泄壓口通過法蘭與箱體連接，為防止在低溫、濕熱試驗過程中凝露的產(chǎn)生，可通過以下措施防止凝露：

1）泄壓板和外箱體之間的夾層填充保溫棉，保溫棉使用鋁箔紙包裹好，放入泄壓腔中。外箱頂部的開口，使用鋁箔5 封住，鋁箔和外箱的接縫使用錫箔膠粘帶密封好。

2）內(nèi)箱頂部安裝防凝露頂板1，對應(yīng)泄壓口位置開孔讓位。泄壓口及接縫處產(chǎn)生的凝露，滴到防凝露板上，再排到箱內(nèi)排水通道內(nèi)，防止凝露滴在樣品表面。

3）需要時，在泄壓板上布硅橡膠發(fā)熱絲8，根據(jù)試驗結(jié)果調(diào)節(jié)發(fā)熱絲的輸出量，將泄壓板的表面溫度提高到露點溫度之上，可防止凝露。

3.5 結(jié)構(gòu)加固設(shè)計

結(jié)構(gòu)加固主要是降低鋰電池在試驗過程中爆炸壓力對箱體結(jié)構(gòu)的影響，可通過內(nèi)箱結(jié)構(gòu)加固、箱門觀察窗加固、箱門鎖鏈加固等方面加強(qiáng)防護(hù)。鋰電池環(huán)境試驗箱的內(nèi)箱外部采用加強(qiáng)筋做成框架結(jié)構(gòu)，以形成一個整體，增加箱體強(qiáng)度，內(nèi)箱框架結(jié)構(gòu)如圖7 所示。箱門上觀察窗玻璃采用耐高溫防爆玻璃，同時在觀察窗安裝內(nèi)防護(hù)網(wǎng)、外防護(hù)網(wǎng)，內(nèi)防護(hù)網(wǎng)防止電池爆炸碎片沖擊玻璃造成觀察窗破裂，外防護(hù)網(wǎng)防止玻璃受沖擊破裂后產(chǎn)生的碎片飛出傷人。箱門把手采用三聯(lián)密閉聯(lián)動把手，同時增加安全鎖鏈可限制大門打開角度，提供緩沖，可避免人員受到傷害。

圖7 內(nèi)箱框架結(jié)構(gòu)

7 結(jié)束語

本文對某新研制的鋰電池環(huán)境試驗設(shè)備進(jìn)行了介紹，可滿足鋰電池如GB 38031-2020、GB/T 36972-2018 等標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境適用性部分的要求，對于提高鋰電池環(huán)境適用性具有重要意義，同時設(shè)備的消防裝置、泄壓裝置及結(jié)構(gòu)加固裝置等模塊結(jié)構(gòu)緊湊簡單，亦為其他易燃易爆環(huán)境試驗設(shè)備的研制提供參考。