航空冷鏈運輸中含鋰離子電池供電設備安全性測試實驗

白偉

[摘 要]目前國內航空冷鏈運輸因鋰電池問題受到諸多限制。為檢驗紐扣電池，本文對紐扣電池進行了危險性測試。實驗表明紐扣鋰電池在加熱實驗中平均溫度達到157.7℃時發生熱失控，失控后正負極分離，電解質變為黑色不可再次燃燒物質。短路實驗中電池表面溫度升高至37 ℃左右，平均損失電壓為0.39V，1.2米高度測試與撞擊實驗中，電池均未出現破壞性損害，溫度也未達到引燃包裝的程度，說明紐扣電池具有一定火災危險性但對于供電設備及冷鏈運輸箱危險程度不高。

[關鍵詞]冷鏈運輸；包裝；紐扣電池；安全性測試方案；實驗

冷鏈運輸是以保持低溫環境為核心要求的供應鏈系統，是隨著科學技術的進步以及制冷技術的快速發展而發展起來的，是以冷凍工藝學為基礎、以制冷技術為手段的低溫物流過程。其中以醫藥業和生鮮業[1-2]最具代表性。據LifeConEx公司統計在世界銷量較高的醫藥產品中，有20%的產品會因為溫度的變化而改變藥性、疫苗類產品中有68%對溫度有極強的要求，運輸過程中控制溫度的同時也要實時監測環境溫度變化，一旦運輸過程中溫度的峰值超過或低于規定值，藥物只能作廢。因此衍生了航空冷鏈運輸產業，鋰電池作為產業中溫度記錄設備的供電電源，得到了越來越多的關注。2016年劉楊等通過列舉實際案例，證明運輸包裝測試只在實驗室內營造一個包含振動、沖擊、壓力、環境的微型世界，實現精密控制、微觀觀察。針對不同包裝件、不同物流環境選擇合理的運輸包裝測試標準，只有通過合理的運輸包裝測試，進行產品包裝的改進完善，才能夠降低實際運輸中的損壞，提高客戶滿意度。2016年李志恒從運輸包裝是熱交變常用測試標準解析、環境試驗設備的選擇以及如何實現濕熱條件的模擬等幾個方面展開論述。通過實驗室的有效試驗測試，闡述濕熱交變環境測試的意義，以及通過對試驗設備控制方式的理解，從而指導設備的選型，達到包裝測試的目的。國外冷鏈運輸行業較為先進，以研究新型的制冷技術為主，為當前技術提供更節能環保的替代方案。

一、航空冷鏈運輸包裝概況

保溫箱根據產品材質不同分為不同種類，包括塑料、泡沫、金屬、木制等各種保溫箱。保溫箱具備良好的隔熱保溫的功能。航空運輸中對冷鏈箱材質并無明確要求。ABS樹脂是一種強度高、韌性好、易于加工成型的熱塑型高分子材料。因為其強度高、耐腐蝕、耐高溫，所以常被用于制造儀器的塑料外殼，因此航空運輸通常采用ABS材質的冷鏈箱。

目前國內航空冷鏈運輸使用的供電設備大多以路格L91溫度黑匣子和百沃T301PDF溫度記錄儀為主，市場上大部分溫度記錄儀的能量來源為CR2032和CR2450兩種大小的紐扣電池

二、供電設備安全性測試方案及實驗研究

1.供電設備安全性測試方案設計

因目前國內航空公司對于冷鏈運輸前需要提供供電設備和鋰電池UN38.3及1.2M高度測試的測試合格報告，所以實驗設計方案主要依據這兩項標準。

因目前冷鏈運輸使用CR2032和CR2450為主的一次性紐扣電池，與UN38.3中的過充電實驗、強制放電實驗無關，加之受條件限制，為探究紐扣電池安全性問題設計加熱實驗、內部短路實驗和1.2M的高度實驗。

2.鋰電池加熱實驗

將每種電池分為兩組，一組5個電池，兩組實驗分別對其正、負級進行加熱。將加熱棒分別與全新鋰電池的正負兩極用防火膠帶固定，并置于自制小尺度爆炸平臺中，隨后開始對鋰電池持續加熱，在此期間，鋰電池發生燃燒、爆炸等現象，記錄加熱時長以及發生燃燒、爆炸的溫度。

3. 內部短路實驗

將每種電池分為兩組，一組5個電池，兩組實驗分別對其正、負級進行加熱。將加熱棒分別與全新鋰電池的正負兩極用防火膠帶固定，并置于自制小尺度爆炸平臺中，將型號為SIN-R960的無紙記錄儀的溫度探測針用防火膠帶固定在加熱棒上，以便隨時讀取加熱的溫度。隨后開始對鋰電池持續加熱，在此期間，鋰電池發生燃燒、爆炸等現象，記錄加熱時長以及發生燃燒、爆炸的溫度。

4. 1.2M跌落試驗

將冷鏈箱密封好后抬舉到1.2米的高度保持靜止后做自由落體運動，每做一次自由落體運動后，將電池從供電設備中取出測量電壓，記錄冷鏈箱的狀態，重復上述步驟共20次，檢查冷鏈箱是否密封完好，此為一組實驗。

三、供電設備安全性測試實驗

加熱實驗溫度數據如圖4所示

如圖4所示，對比CR2032和CR2450紐扣電池的溫度圖發現，電池在180℃左右時發生熱失控，爆炸后溫度迅速下降至常溫，因為紐扣電池屬于一次性的金屬鋰電池，電解質受熱產生氣體，在殼體內急劇膨脹，最終在180℃左右時，氣體膨脹將正負極殼沖擊分開，發生爆炸，電解質完全燃燒呈現黑色，殼體分離之后燃燒隨之結束，溫度恢復至室溫，供電設備溫度記錄儀的外殼材料為ABS，其燃點為280℃-320℃，紐扣電池爆炸溫度達不到引燃供電設備外殼的溫度，所以對于冷鏈設備無影響。

如圖5所示，對比24小時的短路實驗前后紐扣電池電壓變化發現，CR2032實驗前平均電壓為3.3V，短路后的平均電壓為2.87V，實驗前后平均減少電壓0.43V，CR2450實驗前平均電壓為3.31V，試驗后的平均電壓為2.89V，實驗前后平均減少電壓為0.42V，通過電壓損失可以發現，紐扣電池短路并不會造成危害，24小時損失的電壓所轉化的熱量不足以對紐扣電池本身造成損害，更不會對設備造成影響。

如圖6實驗數據所示，對于1.2m高度跌落實驗，CR2032和CR2450損失最大損失電壓為0.12V和0.08V，與短路實驗結果相似，20次實驗損失的電壓不會對紐扣電池本身造成任何危害，損失電壓轉化的熱量也對供電設備沒有任何危險，實驗中外包裝隨著跌落次數的增加出現了劃痕，小面積的破碎，但對于冷鏈箱的密封性，保溫性沒有影響。

四、結語

1.隨著航空冷鏈運輸行業的高速發展以及互聯網+銷售模式越來越被大眾所接受與使用，每年的冷鏈運輸貨物數量也在飛速增長。每次冷鏈不需通過提供鋰電池和供電設備的安全性測試會大大加快運輸效率，減少運輸損失。

2.通過實驗發現紐扣電池造成的危害不足以對箱體及下箱體以外的設施造成危害，溫度記錄儀及冷鏈箱足以保證鈕扣電池因短路、意外受熱等情況所產生的危害

參考文獻：

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