基于航空鋰離子蓄電池組熱失控特性的排氣設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

摘" 要：該文簡(jiǎn)要分析航空鋰離子蓄電池組熱失控的排氣機(jī)理及產(chǎn)氣成分，從外部因素和內(nèi)部因素兩方面對(duì)鋰離子蓄電池組出現(xiàn)熱失控的誘因及影響進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際裝機(jī)環(huán)境，針對(duì)航空鋰離子蓄電池組發(fā)生熱失控排氣的燃爆氣體濃度和發(fā)生燃爆的失效概率進(jìn)行研究，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度對(duì)鋰離子蓄電池組的熱安全性設(shè)計(jì)及控制策略提供數(shù)據(jù)參考及技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：熱失控;排氣;航空鋰離子蓄電池組;爆炸極限;設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：V252" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " A文章編號(hào)：2095-2945（2024）26-0015-07

Abstract： In this paper， the exhaust mechanism and gas production composition of thermal runaway of aviation lithium-ion battery group are briefly analyzed， and the inducement and influence of thermal runaway of aviation lithium-ion battery group are analyzed from both external and internal factors. By considering the actual installation environment， the ignition and explosion gas concentration and failure probability of thermal runaway exhaust of aviation lithium-ion battery pack are studied. From the angle of system design， it provides data reference and technical support for the thermal safety design and control strategy of lithium-ion battery pack.

Keywords： thermal runaway; exhaust; aviation lithium-ion battery pack; explosion limit; design

目前鋰離子蓄電池組在航空應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)有大量關(guān)于多種鋰離子電池體系的故障模式的研究文獻(xiàn)[1-3]和降低使用過(guò)程中安全風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4-5]。正常情況下，鋰離子蓄電池組在使用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生氣體，但是在濫用（如：過(guò)充電、過(guò)放電、短路和過(guò)熱等）、破壞性（針刺、跌落、擠壓變形等）和燃燒條件下鋰離子蓄電池組中的有機(jī)電解質(zhì)及電極材料等會(huì)發(fā)生分解，并釋放出氣體及粉塵[6-9]。針對(duì)航空用鋰離子蓄電池組在機(jī)上的失效模式主要有過(guò)充電、短路、過(guò)放電和過(guò)熱等，當(dāng)鋰離子蓄電池組在機(jī)上發(fā)生過(guò)充電、過(guò)放電和短路、過(guò)熱時(shí)，會(huì)產(chǎn)生氣體，產(chǎn)生氣體的量及成分與熱失控的失效模式及程度有關(guān)。隨著航空鋰離子蓄電池組的熱安全性受到越來(lái)越多的關(guān)注，開(kāi)展航空鋰離子蓄電池組的排氣設(shè)計(jì)分析具有重要的研究意義和工程化應(yīng)用價(jià)值。

1" 鋰離子電池排氣機(jī)理及成分

1.1" 導(dǎo)致熱失控產(chǎn)氣的原因

鋰離子電池發(fā)生熱失控主要是由電極和電解液間的化學(xué)反應(yīng)引起，該反應(yīng)在整個(gè)熱失控過(guò)程中為持續(xù)性、分階段性的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)。電池在過(guò)熱情況下，高溫會(huì)觸發(fā)電池內(nèi)部放熱副反應(yīng)，隨著溫度的升高，引發(fā)進(jìn)一步的放熱副反應(yīng)，最終導(dǎo)致熱失控。引起熱失控主要的副反應(yīng)包括： ①固體電解質(zhì)相界面（SEI）膜分解;②嵌鋰碳（LixC6）與電解液的反應(yīng);③嵌鋰碳（LixC6）與黏結(jié)劑的反應(yīng);④電解質(zhì)的熱分解;⑤正極活性物質(zhì)的熱反應(yīng)[10-11]。

鋰離子電池的安全性失效過(guò)程如圖1所示。

1.1.1" 固體電解質(zhì)相界面（SEI）膜分解

當(dāng)溫度升高超過(guò)80 ℃時(shí)，SEI膜發(fā)生放熱分解，分解反應(yīng)為SEI膜中亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì)向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化。但此分解反應(yīng)放熱量較小，最大放熱量不超過(guò)120 J/g，不會(huì)造成熱失控。主要反應(yīng)方程式如下：

（CH2OCO2Li）2（SEI）→Li2CO3+C2H4↑+CO2↑+1/2O2↑

2Li+（CH2OCO2Li）2（SEI）→2Li2CO3+C2H4↑

隨著溫度的升高，SEI膜的分解加速，隔膜會(huì)發(fā)生熱收縮，并在150～180 ℃溫度范圍內(nèi)，由于收縮過(guò)大造成正負(fù)極間直接短路，產(chǎn)生大量的熱，造成溫度急劇增高，并引發(fā)正極與電解液的反應(yīng)、嵌鋰碳（LixC6）與溶劑和黏結(jié)劑的反應(yīng)。

1.1.2" 嵌鋰碳（LixC6）與電解液的反應(yīng)

嵌鋰碳與電解液的反應(yīng)發(fā)生在110～280 ℃。其反應(yīng)引起電池溫度進(jìn)一步升高。主要反應(yīng)方程式如下：

2Li+C3H4O3（EC）→Li2CO3+C2H4↑

2Li+C4H6O3（PC）→Li2CO3+C3H6↑

2Li+C3H6O3（DMC）→Li2CO3+C2H6↑

1.1.3" 嵌鋰碳（LixC6）與黏結(jié)劑的反應(yīng)

當(dāng)溫度達(dá)到240 ℃左右時(shí)，負(fù)極材料中的黏結(jié)劑會(huì)與負(fù)極活性物質(zhì)及金屬鋰發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)，并釋放大量的熱[12]。主要反應(yīng)方程式如下：

-CH2-CF2-+Li→LiF+-CH=CF-+1/2H2

1.1.4" 電解質(zhì)的熱分解

電解液幾乎參與了電池內(nèi)部發(fā)生的所有反應(yīng)，不僅包括電解液與正極材料、嵌鋰碳、金屬鋰之間的相互反應(yīng)，同時(shí)包括電解質(zhì)自身的熱分解，熱分解產(chǎn)物與電解液進(jìn)一步反應(yīng)放熱。主要反應(yīng)方程式如下：

LiPF6→LiF+PF5

PF5+H2O→PF3O+2HF

1.1.5" 正極活性物質(zhì)的熱反應(yīng)

改性鈷酸鋰正極材料在高于220 ℃時(shí)開(kāi)始材料分解，貧鋰態(tài)正極的熱分解放熱并生成活性氧，并進(jìn)一步引發(fā)電解液分解，加劇了電池內(nèi)部的熱量累積。主要分解反應(yīng)方程式如下：

LixCoO2→（1-x）/3Co3O4+xLixCoO2+（1-x）/3O2

5/2O2+C3H4O3（EC）→3CO2+2H2O

4O2+C4H6O3（PC）→4CO2+3H2O

3O2+C3H6O3（DMC）→3CO2+3H2O

1.2" 熱失控排出氣體成分和排量

值得注意的是，鋰離子電池?zé)崾Э貧怏w釋放量同電池容量、化學(xué)體系（如正負(fù)極選材、電解液注液量、黏結(jié)劑量等）、荷電態(tài)（SOC）、觸發(fā)方式、測(cè)試環(huán)境等因素有關(guān)[13]。目前關(guān)于熱失控氣體釋放量研究的主要難點(diǎn)在于氣體具有可壓縮性和流動(dòng)性，相比于固體和液體更難收集，同時(shí)熱失控可能產(chǎn)生的高溫高壓環(huán)境對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的要求很高。受控于測(cè)試成本及測(cè)試設(shè)備的能力，迄今為止關(guān)于模組或電池包級(jí)別的熱失控試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，主要研究仍圍繞在電芯及單體電池層級(jí)[14]。

Somandepalli等[15]研究了2.1 Ah的LiCoO2電池在不同SOC狀態(tài)下熱失控的氣體釋放量。結(jié)果顯示，不同荷電量下的氣體產(chǎn)生氣體種類(lèi)相同，但是不同荷電量下各種氣體的比例略有不同。在50%SOC、100%SOC和150%SOC下電池?zé)崾Э貧怏w釋放量分別為0.8 L（0.1 L/Wh）、2.5 L（0.32 L/Wh）和6.0 L（0.78 L/Wh），電池?zé)崾Э貧怏w釋放量同SOC之間呈非線(xiàn)性關(guān)系。

Golubkov等[16]研究了3種不同正極材料體系的18650型號(hào)的鋰離子電池在100%SOC狀態(tài)下熱失控產(chǎn)氣的成分及體積，通過(guò)采用GC-MS測(cè)定分析發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)氣主要成分大致相同，由CO、CO2、H2、CH4和C2H6等氣體組成，且CO2、H2、CO占比70%以上，如圖2所示。

Sascha Koch等[17]開(kāi)發(fā)了一種氣密性高、穩(wěn)定性好的高壓反應(yīng)釜，并對(duì)100%SOC下51種不同鋰離子電池（41個(gè)軟包電芯和10個(gè)硬殼電池）的熱失控氣體釋放量、氣體成分和質(zhì)量損失進(jìn)行了評(píng)估及分析。其排出的各氣體成分、平均濃度以及產(chǎn)氣量隨時(shí)間的變化如圖3所示，測(cè)試結(jié)果表明，排出的氣體主要成分為CO2、CO、H2、C2H4、CH4、C2H6和C3H6 7種氣體，隨著時(shí)間推移，總產(chǎn)氣量變大，各主要組分的相對(duì)含量基本保持穩(wěn)定，CO2、CO、H2這3種氣體組分占10%以上，C2H4和CH4則占1%～10%，C2H6、C3H6的含量小于1%。同時(shí)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)擬合后發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是軟包電池還是硬殼電池的熱失控氣體釋放量同電池容量大致呈線(xiàn)性關(guān)系，可通過(guò)下式對(duì)電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣量進(jìn)行粗略估計(jì)。

V（L）=1.961×Capacity（Ah）。

1.3" 熱失控排出氣體的影響

從鋰離子電池?zé)崾Э氐倪^(guò)程中反應(yīng)及相關(guān)氣體成分分析可知，發(fā)生熱失控時(shí)鋰離子電池會(huì)發(fā)生分解釋放出氣體，失效氣體主要成分是CO2、H2、CO、C2H4、CH4、C2H6及C3H6，同時(shí)伴隨少量粉塵隨氣體噴出，還會(huì)有微量腐蝕性物質(zhì)HF。在排放物中H2、C2H4、CH4、C2H6為易燃易爆氣體，一般通過(guò)氣體的爆炸極限判斷其危險(xiǎn)的程度，表1為各氣體成分對(duì)應(yīng)的爆炸極限。

鋰離子電池排氣產(chǎn)生的H2、C2H4、CH4、C2H6是爆炸極限非常低的一級(jí)燃爆物，同時(shí)空氣中存在氧氣，提供了燃爆的助燃劑。在密閉空間中，當(dāng)有火源時(shí)容易發(fā)生燃爆，因此需要在鋰離子蓄電池組殼體上設(shè)計(jì)氣體泄放通道，避免熱失控的氣體積聚在殼體內(nèi)部。鋰離子蓄電池中熱失控時(shí)會(huì)產(chǎn)生微量HF，其影響主要是對(duì)其他周邊相鄰設(shè)備表面產(chǎn)生輕微腐蝕，但不會(huì)影響其他設(shè)備的功能，該腐蝕可通過(guò)酒精或水清潔消除。

2" 航空鋰離子蓄電池組的排氣設(shè)計(jì)

2.1" 熱失控產(chǎn)氣的分析

航空鋰離子蓄電池組由多只單體電池、加熱模塊、監(jiān)控裝置（含軟件）、傳感器、電連接器和組合殼蓋等部分組成，通?？梢詣澐譃殇囯x子電池、結(jié)構(gòu)件、電子器件及絕緣材料4部分，其中結(jié)構(gòu)件、電子器件、絕緣材料在使用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生氣體。

鋰離子電池是一種在充電時(shí)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，而在放電時(shí)將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，由負(fù)極片、正極片、隔膜、電解液、極耳和封裝材料6部分組成。以應(yīng)用較為廣泛的改性鈷酸鋰/石墨體系鋰離子電池為例，其中負(fù)極片由負(fù)極活性材料（石墨）、導(dǎo)電劑（碳材料）、黏結(jié)劑（CMC）、銅箔組成;正極片由正極活性材料（改性鈷酸鋰）、導(dǎo)電劑（碳材料）、黏結(jié)劑（PVDF）、鋁箔組成;電解液由LiPF6為主的電解質(zhì)鹽和碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸甲乙酯（EMC）等混合溶劑組成;隔膜采用微孔聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）復(fù)合膜;封裝材料采用鋁塑膜，鋰離子電池在生產(chǎn)過(guò)程中采用真空熱封而成。

鋰離子電池在裝機(jī)使用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生任何氣體，但在濫用和燃燒條件下鋰離子電池的有機(jī)電解質(zhì)及電極材料等會(huì)發(fā)生分解，并釋放出氣體及粉塵。根據(jù)鋰離子電池的失效模式進(jìn)行分析，導(dǎo)致鋰離子電池出現(xiàn)熱失控的誘因分為外部因素和內(nèi)部因素。

外部誘發(fā)因素主要是指使用過(guò)程中鋰離子電池受到外部的影響，其主要?dú)w結(jié)為電特性影響、熱特性影響和機(jī)械力學(xué)特性影響3類(lèi)，圖4為3種誘因造成熱失控的主要原因[18-19]。結(jié)合實(shí)際工程化應(yīng)用場(chǎng)景，表2中對(duì)具體誘發(fā)因素和使用過(guò)程的危害性進(jìn)行了分析與評(píng)估。

從表2中可以看出，可能導(dǎo)致鋰離子電池失控的電特性、熱特性和機(jī)械力學(xué)特性影響因素在航空鋰離子蓄電池組應(yīng)用時(shí)均采用相應(yīng)的設(shè)計(jì)控制措施，故通常不存在外部誘發(fā)因素導(dǎo)致鋰離子電池組熱失控產(chǎn)生冒煙氣體的條件。

結(jié)合內(nèi)部因素導(dǎo)致鋰離子電池常見(jiàn)失效模式分析，裝機(jī)使用過(guò)程中的鋰離子電池故障模式共10種，根據(jù)GJB/Z 299C—2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》中關(guān)于電池的工作失效率預(yù)計(jì)模型，如下式所示，得到表3中各故障模式對(duì)應(yīng)的故障失效率。

λp=λbπEπQ，

式中：λp為工作失效率，10-6 h;λb為基本失效率，鋰電池為1.5×10-6 h;πE為環(huán)境系數(shù);πQ為質(zhì)量系數(shù)。

通過(guò)鋰離子電池的失效模式分析和預(yù)計(jì)，內(nèi)部短路和破損2種故障模式會(huì)導(dǎo)致熱失控產(chǎn)氣，2種故障的失效率之和為0.787 5×10-8 h。

2.2" 單體電池的安全性設(shè)計(jì)

為了控制大容量鋰離子蓄電池組的安全事故風(fēng)險(xiǎn)，按照將能量以大劃小、分散隔離控制的原則，采用多個(gè)小容量鋰離子電池并聯(lián)增容成大容量鋰離子蓄電池的技術(shù)路線(xiàn)。通過(guò)小容量鋰離子電池的材料配比改進(jìn)、篩選及匹配工藝優(yōu)化、熱隔離等技術(shù)措施，本質(zhì)上提高了大容量鋰離子蓄電池的安全性和可靠性。同時(shí)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，依照既能夠?qū)︿囯x子電池起阻燃作用，又能夠?qū)崿F(xiàn)鋰離子電池之間的有效隔離的原則，通過(guò)在鋰離子電池之間采取聚四氟乙烯隔離膜進(jìn)行熱隔離后，能有效阻斷小容量鋰離子電池之間的熱量傳遞，當(dāng)一只鋰離子電池發(fā)生熱失控時(shí)，相鄰鋰離子電池的表面溫度降低效果明顯，如圖5所示。

2.3" 鋰電池組的排氣設(shè)計(jì)

目前航空鋰離子蓄電池組在實(shí)際應(yīng)用中，若飛機(jī)設(shè)計(jì)有專(zhuān)用的排氣管時(shí)，不管是在空中或地面停放狀態(tài)，當(dāng)鋰離子電池發(fā)生熱失控排氣時(shí)，產(chǎn)生的氣體都可以通過(guò)飛機(jī)排氣管排出到機(jī)體外，對(duì)飛機(jī)的使用不存在安全風(fēng)險(xiǎn)。若飛機(jī)未設(shè)計(jì)有專(zhuān)用的排氣管時(shí)，當(dāng)鋰離子電池發(fā)生熱失控排氣時(shí)，產(chǎn)生的氣體會(huì)通過(guò)電池組的泄放通道泄放到電池組的安裝設(shè)備艙內(nèi)，此時(shí)艙內(nèi)會(huì)存在燃爆氣體和氧氣，在不考慮直接火源的前提下，一般通過(guò)燃爆氣體濃度和燃爆要素2個(gè)方面對(duì)使用的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

郭超超等[20]利用多種可燃?xì)怏w混合氣爆炸極限的Le Chatelier理論計(jì)算公式得到，當(dāng)鋰離子電池在100%SOC時(shí)熱失控氣體的爆炸下限和上限分別為6.22%與38.40%，在50%SOC時(shí)熱失控氣體的爆炸下限和上限分別為5.13%與32.40%。Chen等[21]通過(guò)成分測(cè)試和經(jīng)驗(yàn)公式的理論計(jì)算，研究得出LiNixMnyCozO2鋰離子電池在100%SOC，400 W加熱功率，200 ℃加熱溫度，大氣下熱失控氣體的爆炸下限為8.68%，在60%SOC，400 W加熱功率，300 ℃加熱溫度，大氣下熱失控氣體的爆炸下限為20.69%，與試驗(yàn)測(cè)試得到的8.5%、21.10%誤差約為2%。綜合上述關(guān)于爆炸極限理論計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可以看出，熱失控氣體的爆炸上限隨著SOC的減小變化不太明顯，但爆炸下限差異較大，且與單一氣體的爆炸極限范圍較為接近，危險(xiǎn)性相對(duì)更高，同時(shí)隨著SOC的減小爆炸極限也呈減小趨勢(shì)，這也為鋰離子電池在批量貯存時(shí)的降低荷電量存儲(chǔ)提供了理論依據(jù)。

按照燃燒的3要素條件進(jìn)行分析，必須同時(shí)滿(mǎn)足可燃物、助燃物和火源才可能發(fā)生燃燒現(xiàn)象，由于鋰離子電池?zé)崾Э嘏懦龅臍怏w中存在可燃物成分，同時(shí)考慮飛機(jī)艙內(nèi)也存在氧氣作為助燃劑，因此飛機(jī)艙內(nèi)的火源就成為論證的關(guān)鍵點(diǎn)。然而一般條件下，鋰離子蓄電池組和氣體設(shè)備雖然共同安裝在飛機(jī)艙內(nèi)，但在電池組周邊沒(méi)有直接的火源設(shè)備和高熱設(shè)備可以引燃熱失控排出的氣體。與此同時(shí)，盡管機(jī)載設(shè)備上存在部分開(kāi)關(guān)器件可能會(huì)造成高溫火源，如接觸器會(huì)在過(guò)載動(dòng)作的時(shí)候產(chǎn)生拉弧等現(xiàn)象、熔斷器的高溫熔斷等，但上述類(lèi)似器件的金屬部分均采用封裝材料進(jìn)行了密封，只有在密封失效的時(shí)候且拉弧時(shí)才會(huì)出現(xiàn)火源現(xiàn)象。因此綜合考慮，只有當(dāng)發(fā)生鋰離子電池?zé)崾Э嘏懦鰵怏w，再疊加開(kāi)關(guān)器件高溫拉弧且密封失效的組合故障時(shí)，才達(dá)到飛機(jī)艙內(nèi)的燃燒3要素。

而通過(guò)前述鋰離子電池的失效模式分析和預(yù)計(jì)，內(nèi)部短路和破損兩種故障模式會(huì)導(dǎo)致熱失控產(chǎn)氣，2種故障的失效率之和為0.787 5×10-8 h。如果再考慮開(kāi)關(guān)電子器件高溫拉弧且密封失效的組合故障失效率，按1×10-6 h考慮，則要同時(shí)滿(mǎn)足飛機(jī)艙內(nèi)燃燒3要素的失效概率預(yù)計(jì)為0.787 5×10-14 h，遠(yuǎn)小于安全性失效率的設(shè)計(jì)要求。

與此同時(shí)，為了避免熱失控的氣體積聚在殼體內(nèi)部，在鋰離子蓄電池組殼體上設(shè)計(jì)了氣體泄放通道，主要采用以下3種方式：①直通式通氣管;②排氣孔;③防水透氣閥。防水透氣閥工作原理如圖6所示，通過(guò)采用防水透氣閥，能夠保證鋰離子蓄電池組在使用過(guò)程中與外界進(jìn)行呼吸。如果鋰離子蓄電池組內(nèi)部出現(xiàn)壓力突然增大，閥門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟，保證鋰離子蓄電池組內(nèi)部的壓力處于較低狀態(tài)，避免發(fā)生外殼破裂或者爆炸。

3" 結(jié)論與展望

基于目前關(guān)于鋰離子電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣機(jī)理的研究現(xiàn)狀，并綜合現(xiàn)有的熱安全性設(shè)計(jì)策略，通過(guò)對(duì)航空鋰離子蓄電池組的熱失控排氣進(jìn)行預(yù)計(jì)，并結(jié)合裝機(jī)環(huán)境進(jìn)行了濃度分析和發(fā)生燃爆的失效概率分析，結(jié)論如下：

1）基于安全性設(shè)計(jì)需要，在電池組殼體上應(yīng)設(shè)計(jì)氣體泄放通道，避免熱失控的氣體積聚在殼體內(nèi)部。

2）在避免電池組與直接火源在相同設(shè)備艙的前提下，當(dāng)鋰離子電池?zé)崾Э叵蝻w機(jī)艙內(nèi)排氣時(shí)，艙內(nèi)燃爆氣體濃度未達(dá)燃爆極限，且存在滿(mǎn)足燃燒3要素的失效概率極低，向飛機(jī)艙內(nèi)排氣風(fēng)險(xiǎn)可控，滿(mǎn)足安全性設(shè)計(jì)要求。

3）未來(lái)還需要繼續(xù)加強(qiáng)關(guān)于航空機(jī)載鋰離子蓄電池組的熱失控排氣及爆炸極限相關(guān)研究及分析，這為航空鋰離子蓄電池組的安全性設(shè)計(jì)及研發(fā)進(jìn)一步提供思路，也對(duì)于推動(dòng)我國(guó)航空事業(yè)發(fā)展具有重要意義。

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第一作者簡(jiǎn)介：孫立榮（1973-），女，碩士，研究員。研究方向?yàn)殡娫措姎狻?/p>