鋰電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)與變動(dòng)環(huán)境熱失控實(shí)驗(yàn)

賀元驊，孫 強(qiáng)，陳現(xiàn)濤，應(yīng)炳松

（中國民用航空飛行學(xué)院，四川德陽618307）

 摘 要：基于鋰電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)特性實(shí)驗(yàn)，總結(jié)電荷量為20％、30％、50％、70％、100％的18650型鋰離子熱失控特性，包括熱失控傳播、熱釋放速率、溫度、質(zhì)量損失、釋放的氣體。分析駕駛艙、客艙和貨艙內(nèi)鋰電池?zé)崾Э匚ｋU(xiǎn)特性及內(nèi)部滅火與通風(fēng)系統(tǒng)等設(shè)施承受鋰電池火災(zāi)的能力。介紹模擬飛行變動(dòng)環(huán)境下熱失控實(shí)驗(yàn)，為大規(guī)模鋰電池相關(guān)實(shí)驗(yàn)的開展以及飛機(jī)滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供參考。

關(guān)鍵詞：安全工程；鋰離子電池；熱失控；電荷量；航空運(yùn)輸

中圖分類號(hào)：X924.4, TM911, V223.2  文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 

文章編號(hào)：1009-0029(2017)01-0027-04

據(jù)FAA（Federal Aviation Administration）統(tǒng)計(jì)，自1991年3月20至2015年6月30，共有158起與鋰電池相關(guān)的飛行和機(jī)場有記錄事件，包括鋰電池貨物和乘客包裹行李在內(nèi)的冒煙、起火、過熱和爆炸。FAA組織開展長達(dá)數(shù)年的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)18650型鋰離子電池?zé)崾Э剡^程的行為特征和致害演化機(jī)理。電池在受熱、短路或外力碰撞等作用下發(fā)生熱失控，不僅劇烈反應(yīng)釋放大量氣體和熱量，而且極易從一個(gè)電池傳播到相鄰電池。熱失控現(xiàn)象雖因電池種類差異而不同，但基本可以概括為4階段：首先氣體交替從小孔（外包裝被燒穿形成小孔）中噴出，繼而內(nèi)部物質(zhì)從正極端已有小孔冒出，然后內(nèi)部物質(zhì)噴射出來，最后內(nèi)部物質(zhì)全部噴射而出。豎立狀態(tài)時(shí)水平方向易發(fā)生爆炸，垂直方向釋放氣體和電解液，拋射出的物質(zhì)以銅、石墨和鋁為主。

1 電荷量對(duì)熱失控特性影響規(guī)律

針對(duì)電荷量（State of Charge，SOC）對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э靥匦杂绊懸?guī)律方面的研究，國內(nèi)研究者李毅發(fā)現(xiàn)鈷酸鎳18650型電池自燃溫度約為170℃。張青松等得出鋰離子電池?zé)岱€(wěn)定性隨著SOC增加而減小，并驗(yàn)證了熱失控傳播的多米諾連鎖效應(yīng)。羅慶凱等得到隨電池SOC 增加熱失控的起始溫度逐漸減小，熱失控結(jié)束溫度則先增大而后減小，質(zhì)量損失逐漸增大。高飛等發(fā)現(xiàn)SOC為0％時(shí)產(chǎn)生氣體中CO含量最大，煙氣毒性最強(qiáng)；50％時(shí)煙氣生成量最大，但CO含量相對(duì)較少，鋰離子電池噴射式燃燒的特征最明顯等。

1．1 熱失控的傳播

2012年3月，FAA在熱失控傳播影響因素實(shí)驗(yàn)中將SOC為20％、30％、50％、70％、100％的18650型鋰離子電池分為5組，每組4個(gè)電池和1個(gè)100Ｗ的筒形加熱器。發(fā)現(xiàn)SOC為50％時(shí)4個(gè)電池均發(fā)生熱失控，溫度均達(dá)到700℃以上；SOC為40％時(shí)有2個(gè)電池發(fā)生熱失控；SOC為30％、70％和100％時(shí)均只有1個(gè)電池?zé)崾Э?/span>。熱失控傳播與SOC關(guān)系，如圖1所示。

1．2 最高熱釋放速率

2012年3月，FAA在SOC對(duì)熱失控影響的實(shí)驗(yàn)中，按SOC為20％、30％、50％、70％、100％分為5組，于50ｋＷ／㎡的酒精火加熱，錐形量熱儀記錄體系熱量變化，最高熱釋放速率（Peak Heat Release Rate，PHRR）隨SOC變化關(guān)系如圖2所示。結(jié)果顯示：PHRR隨SOC的增加而增大，SOC為50％時(shí)平均PHRR最大，為20％時(shí)平均PHRR最小。熱失控時(shí)PHRR最大值在SOC為50％附近出現(xiàn)，此時(shí)也最容易發(fā)生電池間熱失控的傳播，具有最大危險(xiǎn)性。

1．3 溫 度

2014年，FAA利用熱失控溫度測定實(shí)驗(yàn)探究18650型鋰離子電池在不同熱失控階段溫度與SOC變化關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熱失控第一次釋放氣體時(shí)溫度T１與SOC無關(guān)，始終在200℃左右；第二次釋放氣體時(shí)溫度T２也與SOC無關(guān)，約在260℃。而整個(gè)熱失控過程中的最高溫度Tｍａｘ隨SOC增加而增大。0％時(shí)最高溫度約為600℃，100％時(shí)最高溫度超過1000℃。

1．4質(zhì)量損失

2014年，FAA在熱失控質(zhì)量損失實(shí)驗(yàn)中對(duì)熱失控過程中質(zhì)量的損失進(jìn)行探究，如圖4所示。第一次釋放氣體后質(zhì)量損失約2～3g，第二次釋放氣體后質(zhì)量損失約17g，兩次總持續(xù)時(shí)間約為2ｓ。對(duì)熱失控質(zhì)量損失變化規(guī)律與SOC的關(guān)系進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)熱失控第一次釋放氣體結(jié)束后的質(zhì)量m１不隨SOC的變化而變化，此階段損失的質(zhì)量為定值；第二次釋放氣體結(jié)束后的質(zhì)量m２隨SOC的增加而減小。整個(gè)熱失控過程中電池?fù)p失的質(zhì)量呈現(xiàn)隨SOC增加而增加的規(guī)律，質(zhì)量變化規(guī)律與SOC關(guān)系如圖5所示，電池質(zhì)量為ｍ。在相同SOC的情況下，熱失控質(zhì)量損失與儲(chǔ)電能力成一次函數(shù)關(guān)系，儲(chǔ)電能力越大，熱失控質(zhì)量損失越多。

1．5 釋放氣體

2014年10月，FAA在釋放氣體危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)中將