基于包裝材料的鋰離子電池熱失控試驗研究

秦帥星

摘 要：為提高空運鋰離子電池的安全性和鋰電池運輸的安全防護。文章自主設計鋰離子電池火災試驗平臺對不同包裝材料及包裝方式的18650型鋰離子電池開展熱失控研究，通過監測初爆及燃爆響應溫度、電池熱失控數量、峰值溫度及峰值持續時間，確定包裝對鋰離子電池熱失控特性的影響。試驗結果表明：瓦楞紙包裝與無包裝相較，峰值溫度提高280℃，初爆響應時間僅延長33s，所有電池均發生熱失控；包裝采用玻璃纖維隔板及蓋板時燃爆響應時間為818s，峰值溫度為268℃，僅一節電池發生熱失控；采用玻璃纖維隔板及蓋板包裝能顯著提高鋰離子電池安全性。文章為鋰電池包裝設計及材料選取提供理論和技術指導。

關鍵詞：鋰離子電池；包裝材料；熱失控；安全性分析

中圖分類號：TM911.4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0180-02

鋰離子電池由于其高能量密度和快速充放電特性已成為消費電子產品和電動汽車主要能量來源。但其活性大和易燃材料的使用，使鋰離子電池發生多次事故[1]，其安全性成為人們關注的焦點。Eshetu等[2]利用Tewarson量熱儀對影響鋰離子電池熱失控的閃點等主要參數進行了測定，并對火災產生的有毒氣體進行了評價。黃麗等[3]主要對鋰離子電池熱失控釋放氣體機理進行了分析研究，對不同成氣階段進行研究劃分，得到鋰離子電池在不同熱失控條件下釋放氣體的種類及含量，并對熱失控釋放氣體的毒性進行了分析。

國內外對鋰離子電池熱失控研究主要集中于通過改變正負極材料或添加功能性添加劑改善鋰離子電池在循環使用及充放電時電池內部之間相互反應與分解造成鋰離子電池出現安全隱患以及性能下降的問題[4]。國外研究機構曾對鋰離子電池進行火災危險性測試，觀察單個鋰離子電池以及批量存儲下的燃燒特性及火災危險性[5]。但對包裝材料對鋰離子電池的燃燒特性及熱穩定影響尚缺乏深入研究。因此，本人以常用的18650型鋰離子電池作為研究對象，采用自主搭建的鋰離子電池火災試驗平臺，利用不同包裝材料、包裝方式分析鋰離子電池熱失控特性，并提出提高鋰離子電池安全性的具體措施。

1 試驗平臺設計

為研究鋰離子電池熱失控特性，自主設計并建造鋰電池火災試驗平臺。平臺主體為實驗艙，由厚度為5mm，長度為2m，寬度為1.8m，半徑為0.9m的近似半圓柱不銹鋼構成，集成多種測試儀器，對鋰離子電池初爆時間和溫度、熱量傳播規律、試驗艙壓力和溫度、煙霧濃度等進行實驗研究，如圖1所示。

圖1中，加熱棒長度為100mm，直徑為18mm，功率為150W，感溫探頭集成到棒體內，溫度控制采用單片機，加熱棒最高溫度可達400℃。K型鎧裝熱電偶與無紙記錄儀聯用進行溫度記錄，熱電偶測溫范圍為0～900℃，無紙記錄儀采樣周期為0.1s；熱電偶貼敷表面進行測溫。試驗過程中，使用2臺高清攝像機分別記錄儀器設備和艙內試驗現象。

試驗方案設計：

（1）自制加熱棒以恒定速率升溫（初始溫度為室溫）模擬電池堆某節電池熱失控場景，電池發生燃燒爆炸時停止加熱，觀察鋰電池熱失控現象，監測初爆和燃爆響應溫度、響應時間、峰值溫度及溫升速率。

（2）電池充電狀態為滿電量，數量為8節，包裝為無包裝、紙包裝、玻璃纖維板包裝，包裝方式為電池間加隔板、電池堆外圍加壁板及正極附近加蓋板，如圖2i。電池及熱電偶布置如圖2ii；圖2中，小圓表示熱電偶，大圓表示電池或加熱棒，數字表示對應無紙記錄儀通道。

2 包裝對鋰離子電池熱失控影響分析

2.1 鋰離子電池熱失控現象

實驗過程中，加熱到一定溫度時發現正極泄壓閥附近有少量氣體產生，幾分鐘后出現大量氣體，隨后大量氣體和液體的混合物從正極泄壓閥噴出，伴有“砰”的響聲，短時間內混合物被點燃發生劇烈的燃燒爆炸現象，火星四射，產生耀眼的白光，產生大量的黑煙快速彌漫整個試驗艙體。

2.2 瓦楞紙包裝對鋰離子電池熱失控影響分析

利用圖2布置方案，對比無包裝和瓦楞紙包裝，條件相同時，對比發生熱失控的電池數量、初爆時間、峰值溫度及爆炸強度，如圖3所示。

從圖3看出，在無包裝情況下，鋰離子電池熱失控明顯分為4個階段：（1） 130～260℃，鋰離子電池溫升速率加快；（2）260℃～292℃，氣體從泄壓閥附近逸出；（3）292℃，氣體和電解液混合物從泄壓閥附近快速噴出，即初爆；（4）300℃～，鋰離子電池發生燃燒爆炸，溫度急速升高，即燃爆。在相同條件下，無包裝時在552s時發生初爆，峰值溫度為422℃；采用瓦楞紙箱包裝時，鋰離子電池在585s時發生初爆，峰值溫度為705℃。從實驗數據得出，采用瓦楞紙箱可以減緩鋰離子電池發生初爆，但僅延長33s，而熱失控后的峰值溫度卻出現顯著提高，增幅283℃，且整個電池堆均發生熱失控；通過觀察實驗現象發現，有包裝時的燃燒爆炸強度明顯高于無包裝情況，所以現有包裝材料（瓦楞紙包裝）不僅不能提高鋰離子電池的安全性而且一旦某節電池熱失控將會對整個電池堆造成破壞性的影響。

2.3 玻璃纖維板包裝對鋰離子電池熱失控影響分析

鑒于瓦楞紙包裝不能提高鋰離子電池安全性，玻璃纖維板由于其阻燃和隔熱特點成為本文研究的重點。

分4種情況利用玻璃纖維板對電池堆進行包裝：（1）隔板為玻璃纖維板，壁板和蓋板采用瓦楞紙，對應溫度曲線圖5I；（2）隔板為玻璃纖維板、正極位置加上蓋板，壁板采用瓦楞紙，對應溫度曲線圖5II；（3）蓋板為玻璃纖維板，壁板和隔板采用瓦楞紙，對應溫度曲線圖5III；（4）隔板、蓋板及壁板均采用玻璃纖維板，對應溫度曲線圖5IV。實驗方式同上，分析發生熱失控電池數量、燃爆響應時間、峰值溫度及爆炸現象，確定不同包裝材料對鋰電池安全性的影響。

圖4I中燃爆響應時間為543s，共有三節電池發生燃爆，峰值溫度為530℃～584℃，從第一節電池燃爆到最后一節電池燃爆共需534s；圖4II中燃爆響應時間為818s，僅一節電池發生燃爆現象，峰值溫度為268℃；圖4III中，燃爆響應時間為741s，共有6節電池發生燃爆，峰值溫度在728℃～866℃，從第一節電池燃爆到最后一節電池燃爆共需111s；圖4IV中燃爆響應時間為121s，8節電池全部發生燃爆，峰值溫度為677℃～777℃，從第一節電池燃爆到最后一節燃爆共需80s；圖4II燃爆響應時間最高，且發生燃爆的電池數和峰值溫度有顯著降低，原因是玻璃纖維板具有阻燃、隔熱的作用，在電池間加隔板可以防止熱量之間快速傳遞提高燃爆響應時間；其次，根據實驗現象發現，初爆和燃爆發生在鋰離子電池的正極泄壓閥處，所以在正極附近加玻璃纖維板可以防止生成氣體和電解液噴出從而被點燃引起燃燒爆炸。

2.4 不同包裝材料、方式對鋰離子電池熱失控影響分析

對比圖4II和圖4I發現，在正極附近增加玻璃纖維板后，發生熱失控電池數減少3節，燃爆響應時間顯著提高，峰值溫度出現大幅降低，很大程度上提高鋰離子電池安全性[6]；對比圖4II和圖4III發現，僅在正極上方加玻璃纖維蓋板仍導致電池堆發生熱失控，峰值溫度增幅明顯；分析圖4IV溫度曲線發現，全部電池發生燃爆，初爆響應時間較圖6其他曲線顯著降低，峰值溫度明顯提高；對比圖4II和圖3，采用玻璃纖維隔板和蓋板的電池堆峰值溫度從瓦楞紙包裝的705℃及無包裝時的422℃下降到268℃，降幅明顯；初爆響應時間也有很大程度提高。

3 結論

通過開展不同包裝材料、包裝方式的鋰離子電池熱失控試驗，監測初爆和燃爆響應溫度、電池熱失控數量及峰值溫度，得出如下研究結論：（1）18650型鋰離子電池熱失控可以劃分為四個階段：a.130～260℃，溫升速率加快；b.260℃～292℃，氣體逸出；c.292℃出現初爆；d. 300℃左右出現燃爆。（2）包裝材料為玻璃纖維板，包裝方式為玻璃纖維隔板、玻璃纖維蓋板時能顯著提高鋰離子電池安全性。（3）本研究選用的包裝材料僅為瓦楞紙包裝及玻璃纖維板，對其他阻燃、隔熱材料還需進行進一步研究。

參考文獻：

[1]Diego Lisbona，TimothySnee.A review of hazards associated with primary lithium and lithium-ion batteries[J].Process Safety and Environmental Protection，2011，89：434-442.

[2]Gebrekidan Gebresilassie Eshetu， Sylvie Grugeon， Stephane Laruelle，et al. In-depth safety-focused analysis of solvents used in electrolytes for large scale lithium ion batteries[J].PCCP，2013，15：9145-9155.

[3]黃麗，金明鋼，尤金跨，等.聚合物鋰離子蓄電池氣脹原因的初步探討[J].電源技術，2003，196（22）：163-165.

[4]平平.鋰離子電池熱失控與火災危險性分析及高安全性電池體系研究[D].安徽：中國科學技術大學，2014.

[5]Ribiere P，Grugeon S， Morcrette M， et al. Investigation on the fire-induced hazards of Li-ion battery cells by fire calorimetry.Energy & Environmental Science， 2012，5：5271-80.

[6]Vijay Somandepalli， Kevin Marr， Quinn Horn.Quantification of Combustion Hazards of Thermal Runaway Failures inLithium-Ion Batteries[J].SAE international，2014，3（1）：98-104.