幾種抑制鋰電池?zé)崾У奈鼰釀┠M對比

摘要：鋰電池正在被廣泛用于儲能電站，隨之而來的鋰電池?zé)崾?dǎo)致的起火爆炸對滅火提出挑戰(zhàn)。如果能在熱失效的早期把鋰電池的溫度控制在臨界點以下就不會發(fā)生燃燒和爆炸。從理論和實驗兩個方面對比幾種常見滅火劑的吸熱降溫效果。理論分析表明比熱容是決定吸熱能力高低的主要因素，實驗證明藥劑持續(xù)噴放的作用要大于比熱容的作用。細(xì)水霧的降溫效率優(yōu)于其他滅火劑，加上細(xì)水霧可以連續(xù)噴放，是理想的將鋰電池溫升控制在臨界點以下的抑制劑。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；熱失效；吸熱降溫；細(xì)水霧

中圖分類號：TU892 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-1227（2024）08-0007-03

常用的新能源儲能電池有三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰離子電池，電池?zé)崾У呐R界溫度為120～130℃之間，一旦電池內(nèi)部溫度達(dá)到臨界溫度，隔膜可能發(fā)生熔化，如果溫度繼續(xù)升高，電池內(nèi)部的活性物質(zhì)會發(fā)生分解反應(yīng)，可能會引起電池起火或爆炸。三元鋰離子電池自燃溫度約為200℃，它發(fā)生熱失效基本會燃燒，而磷酸鋰離子電池的自燃溫度為500～800℃，即使發(fā)生熱失效也可能只是劇烈噴放可燃?xì)怏w和電解液而不會燃燒，但即使不燃燒也要對其進(jìn)行抑制，否則熱失效會發(fā)生連鎖反應(yīng)，從而蔓延到電池包、簇、倉[1]?？刂茻崾У穆佑袃蓚€基本方向：一是為電芯設(shè)置隔熱層[2]，但隔熱可能大幅提高儲能成本而且影響電池運行效率；另一個方向是抑制溫升[3]，如果能夠在電池開始升溫時有效降溫，使電池溫度不高于臨界溫度，熱失效就不會發(fā)生。現(xiàn)在市場上的鋰離子電池滅火劑都是從原有的消防系統(tǒng)移植過來，比如CO2、氣溶膠、七氟丙烷[4]、全氟己酮、細(xì)水霧[5]等，這些滅火劑的滅火機(jī)理有降溫、隔絕、化學(xué)反應(yīng)，或者幾種機(jī)理結(jié)合，但它們應(yīng)對的是300℃以上的火而不是140℃以下的溫升。使用哪種滅火劑的降溫效果最好，以何種方式噴放，需要我們重新對滅火劑的降溫能力方面加以梳理。本文將滅火劑稱為吸熱劑，選取了全氟己酮、氮氣、細(xì)水霧等滅火劑進(jìn)行了理論和模擬降溫對比，力圖尋找最優(yōu)的吸熱劑和噴放方式。

1 對比方法

1.1 測試材料

選取了全氟己酮、氮氣、細(xì)水霧三種藥劑和壓縮空氣、空氣兩個參照物?？諝夂蛪嚎s空氣并不是吸熱劑，選取空氣是為了確定實驗裝置本身的物理空冷特性，選取壓縮空氣是因為氮氣或全氟己酮藥劑量有限，而壓縮空氣可以在一個降溫周期內(nèi)持續(xù)噴放。應(yīng)用中常見的藥劑還有七氟丙烷，但七氟丙烷儲存壓力高（4.2MPa以上）而且沒有成本優(yōu)勢已逐漸淡出儲能消防市場。CO2的儲存壓力更高（15MPa）也不是常見的滅火劑，氣溶膠經(jīng)過實踐證明在電池火災(zāi)里完全不起作用，所以本對比沒有選取這些滅火劑。

1.2 實驗設(shè)備

對比試驗平臺示意圖見圖1，試驗箱長寬高分別為1.3m×0.8m×0.3m，噴頭采用儲能電站用標(biāo)準(zhǔn)噴頭，噴嘴直徑1mm，距離電熱板35cm。由于鋰電池的熱失效不具有精確的可重復(fù)性，本實驗采用2片鑄鋁電熱板代替鋰電池，電熱板緊貼在一起，每片長寬高尺寸為150mm×100mm×25mm，采用DAM-3046-3088溫度記錄儀和熱電偶采集電熱板內(nèi)和試驗箱溫度。電熱板每次加熱到200℃斷電停止加熱，然后注入吸熱劑進(jìn)行冷卻，冷卻到電熱板內(nèi)溫降到60℃時停止。

吸熱劑的噴放參數(shù)見表1，對于儲能電池的滅火噴放參數(shù)沒有規(guī)范規(guī)定，對比實驗采用的噴放方式是實際應(yīng)用的參數(shù)?？諝饫鋮s為自然冷卻，壓縮氣體采用空氣壓縮機(jī)，實驗環(huán)境溫度除細(xì)水霧在23℃外其他為15℃。

2 結(jié)果及分析

2.1 理論分析

鋰離子電池的滅火劑包括全氟己酮、七氟丙烷、CO2、氮氣、超細(xì)干粉、水、IG541、細(xì)水霧、氣溶膠，其中全氟己酮、七氟丙烷、細(xì)水霧的應(yīng)用較多，中小型儲能設(shè)備也可能裝有氣溶膠，雖然它們的滅火能力有待進(jìn)一步考證，但目前尚未出現(xiàn)高效的專用鋰離子電池滅火劑。它們的滅火機(jī)理分析見表2。

通過上表對比可以發(fā)現(xiàn)，滅火劑的主要滅火機(jī)理主要可歸納為冷卻（吸熱）、窒息（降低含氧量）、切斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、熱阻隔幾種方式。吸熱降溫有兩個主要指標(biāo)：汽化熱和比熱容。常見滅火劑的汽化熱和比熱容對比見表3。氮氣和IG541以氣態(tài)存儲，它們釋放時就是氣態(tài)。其他滅火劑如細(xì)水霧、全氟己酮、七氟丙烷、CO2等以液態(tài)存儲，自儲瓶釋放到滅火空間的過程中，在管網(wǎng)中或噴頭噴出時由于壓力的變化就已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，而不是由于吸收了著火點的熱量后才變?yōu)闅鈶B(tài)的，加之吸熱劑噴放時電池包的安全閥已打開，吸熱劑從噴嘴噴入電池包，也會從電池包的安全閥溢出，所以在密閉空間測量的汽化熱已沒有參考價值，因此汽化熱不應(yīng)作為吸熱降溫指標(biāo)。當(dāng)吸熱劑被噴射到發(fā)生熱失效的電芯上時，可以用比熱容來表達(dá)降溫能力。

由表3可見，水的比熱容最高，七氟丙烷的比熱容最低，超細(xì)干粉比熱容也優(yōu)于全氟己酮和七氟丙烷，但干粉是固態(tài)的，對于全封閉的電池包，干粉的流動性不如氣體吸熱劑，所以也不是理想的吸熱劑。表4給出了常見滅火劑在儲存狀態(tài)、壓力、造價等方面的比較。

2.2 實驗分析

圖2顯示了不同噴放狀態(tài)下的電熱板降溫過程，在做細(xì)水霧實驗時箱體內(nèi)溫度較高，但這并沒有影響細(xì)水霧的高效降溫。

統(tǒng)計電熱板從200℃降低到60℃所需時間見表5，可見細(xì)水霧的降溫效率遠(yuǎn)超其他滅火劑，但從比熱容來說細(xì)水霧并沒有比氮氣大很多，這可能是因為電池箱空間較小，大量的細(xì)水霧瞬間涌入在電熱板表面形成了水膜，這樣降溫介質(zhì)就由細(xì)水霧變成了水，而水的比熱容是細(xì)水霧的4倍多，所以細(xì)水霧降溫效率最高。

降低同樣的溫度差，氮氣需要46min，全氟己酮要52min，氮氣比全氟己酮降溫效率高來自比熱容高和噴放時間長：盡管氮氣的比熱容是全氟己酮的5倍，但氮氣的降溫效率并沒有達(dá)到全氟己酮的5倍；氮氣噴放了12min，全氟己酮僅噴放了10s，說明噴放時長的影響要大于吸熱劑量和其理化性能，壓縮空氣的22min降溫更加印證了這一結(jié)論，所以無論哪種藥劑，噴放時間越長降溫效果越好。由于全氟己酮的噴放時間短，降溫效果僅比自然空冷略微好一點。值得注意的是當(dāng)全氟己酮注入箱體時，箱體內(nèi)溫度有瞬間的明顯下降，而其他吸熱劑則沒有這個效果，這里值得深入研究。這也說明如果全氟己酮能夠持續(xù)噴放其降溫效率也可能優(yōu)于其他吸熱劑，但仍無法與細(xì)水霧相比。

3 結(jié)束語

本文通過模擬對比實驗，研究了幾種可用于抑制鋰離子電池?zé)崾У臍怏w。實驗結(jié)果表明，對于鋰電池吸熱降溫來說，影響最大的兩個因素是吸熱劑的比熱容和持續(xù)噴放時間。細(xì)水霧在模擬裝置表面凝結(jié)為水以后比熱容大幅提高，所以降溫效率最高，能夠持續(xù)噴放的藥劑降溫效率也最高。全氟己酮滅火系統(tǒng)在滅火方面表現(xiàn)出色，但吸熱降溫方面效果僅好于空冷，一方面是全氟己酮的比熱容不夠高，另一方面它在10s內(nèi)噴放完畢不能持續(xù)噴放。氮氣的降溫效率介于全氟己酮和細(xì)水霧之間，由于不能持續(xù)噴放，其降溫效率還不如壓縮空氣。結(jié)合各種滅火系統(tǒng)的成本和實際應(yīng)用情況，要在熱失效的早期將鋰電池的溫度控制在臨界點以下，應(yīng)首選細(xì)水霧系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

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