低壓環境對鋰電池熱失控釋放溫度的影響

馮 碩

（河南醫學高等專科學校，河南鄭州 450000）

鋰電池為人們生活帶來便捷的同時，其安全性也受到了大家的關注。電解液劇烈燃燒會穿透金屬板，熱解氣體的爆炸極限比烴類要高。鋰電池的熱失控反應容易造成危險事件，其高溫特性是火災危險的重要和基礎參數。因此，有必要探究低壓環境對于鋰電池熱失控釋放溫度的影響，降低其使用危險性。

1 鋰電池熱失控概述

鋰電池熱失控過程包含初爆與燃爆兩種形式，其中初爆階段鋰電池的內部溫度會提升，若壓力增大會破開鋰電池的泄壓口同時持續釋放煙霧；燃爆過程中鋰電池會出現劇烈噴射問題，從電池的正極位置噴射大量的發光高溫物質，同時進行二次燃燒。低壓環境中鋰電池熱失控的初爆過程煙霧的釋放時間很長，在噴射完成后不會燃燒，噴射物的亮度也會下降。本課題在30kPa、60kPa、101kPa 的多種壓力環境中對多節鋰電池進行熱失控反應實驗，研究壓力對于電池正極熱失控釋放的溫度的影響。

2 低壓環境對鋰電池熱失控釋放溫度的影響

2.1 低壓環境對于鋰離子電池池體溫度的影響

鋰電池熱失控燃爆過程中，當電池的荷電量不同時，環境壓力下降會導致鋰電池的池體響應溫度提升。因此壓力越大，鋰電池的燃爆幾率越大。同時，鋰電池池體的燃燒溫度也會伴隨著荷電量的提升而減少，此過程不會受壓力環境的影響而變化。當荷電量在100%、50%、0%時，鋰電池的池體最高溫度會伴隨著壓力的提升而增加，壓力越小則鋰電池的燃爆危險性越低。此外，不同壓力中鋰電池的池體最高溫度會隨著荷電量的提升而增加。

2.2 低壓環境對于鋰離子電池噴射口溫度的影響

熱失控反應中在電池的正端噴射出口溫度是熱失控反應釋放的溫度，熱失控釋放的能量來源主要包含以下內容：其一，熱失控產生的可燃、易燃物質會在多種壓力環境中發生二次燃燒反應所釋放的能量。其二，鋰電池內部熱失控反應釋放的高溫物質和能量。通過在30kPa、60kPa、101kPa 多種壓力環境中進行重復實驗，能夠發現低壓環境對鋰電池熱失控形成的環境溫度會產生多種影響，具體分為以下幾方面：

（1）30kPa 壓力環境

30kPa 的低壓環境中，電池的正極噴射出口所測試的熱失控釋放溫度主要分為5個峰值：1～4個高溫峰值集中在7節電池的熱失控反應期間；峰值1和2發生在第一次和第二次熱失控反應過程中，峰值的寬度窄并且高溫所持續的時間短；峰值3與4一部分出現在第3～7次的鋰電池熱失控反應階段，其中峰值3的溫度較低，而峰值4則發生于鋰離子電池的熱失控反應完成時期，峰值4的溫度與5接近，溫度較高；峰值5出現在熱失控的全反應完成后，此時鋰離子的噴射殘余可燃物和電池外皮正進行燃燒，因此釋放的溫度較高且峰值的寬度較大，高溫持續時間較長[1]。

因此，30kPa 的低壓環境中鋰電池的熱失控階段所釋放的溫度峰值數量較少，其中高溫峰值寬度、峰值數量相較于60kPa 的環境低，因此電池熱失控的高溫危險性低于60kPa 的壓力環境。此外，30kPa 的低壓環境中氧濃度較低，能夠在一定程度上對鋰離子電池的內部劇烈熱失控反應進行抑制，使熱失控反應所產生的有機氣體可燃物質在低壓環境中很難進行二次燃燒反應，由此發現30kPa 中鋰離子電池內部材料進行熱失控放熱反應是低壓環境產生高溫熱量的原因。

（2）60kPa 壓力環境

電池熱失控反應通過噴射光亮、高溫物質形成燃爆過程，進而產生高溫峰值[2]。壓力環境為60kPa 時，鋰離子電池存在7次熱失控反應，通過對鋰電池噴射口環境溫度進行探測發現，反應出現5個熱失控高溫峰值，其中1～4的高溫峰值主要集中在第7次熱失控反應中。鋰離子高溫峰值5出現在7節電池熱失控反應完成后，該階段中鋰離子的電池噴射可燃物、塑料外皮通過燃燒反應進而形成高溫峰值。峰值2、3、4的溫度大約是800℃，最高溫度約是1 100℃，其峰值寬度較窄。相較于101kPa 的壓力環境，在60kPa 的環境中產生了7次熱失控反應；鋰離子電池噴射口的溫度峰值是4個，分析得出在低壓中熱失控反應所噴射的燃爆物質對于高溫影響較低，若峰值高于600℃則寬度會變窄。因此60kPa 的低壓環境中熱失控反應所產生的持續高溫時間被縮短。同時，60kPa 的壓力環境中熱失控的高溫釋放反應相較于常壓條件安全性要高，因此該環境與常壓環境相比氧濃度較低。高溫釋放熱量主要通過電池內部材料的熱反應進而釋放能量，另外一部分源于電池內部通過熱失控反應產生可燃氣體。

（3）101kPa 壓力環境

101kPa 的壓力環境也就是常壓條件，一定條件下電池依次會發生熱失控反應，鋰離子電池在低壓環境中一共發生了7次劇烈的電池熱失控反應。在電池反應中會在其正上方約30mm 的位置捕捉高溫反應峰值，而劇烈的噴射燃燒反應出現的環境高溫峰值大體均勻地分布于1～7次的熱失控反應范圍中，全部高溫峰值溫度遠遠大于600℃，最低溫度約為800℃，最高溫度能夠達到1 100℃。同時，101kPa中鋰離子熱反應釋放高溫的峰值寬度大，因此釋放溫度所持續的時間較長。101kPa環境中7次熱失控反應均會釋放高溫能量，并對周邊環境形成持續的高溫影響。此外，常壓101kPa的環境中鋰電池熱失控反應所釋放的高溫來源包含以下要素：鋰離子電池的內部發生劇烈的熱反應進而釋放能量；鋰電池內部通過反應形成易燃氣體，并在常壓環境中進行二次燃燒反應，進而釋放熱量。

2.3 低壓對鋰電池熱失控反應的影響機理

針對低壓環境中鋰電池熱失控反應發生的燃爆噴射現象，通過分析熱失控反應可以得出以下機理：低壓環境中壓力和氧含量下降的條件下，鋰電池熱失控反應明顯。由于鋰電池屬于封閉系統，若壓力減少，會導致鋰電池外部溫度升高，內外壓力差增加，內部的氣體會沖出電池泄壓口，進而釋放內部壓力。因此，低壓環境中鋰電池噴射過程的能量積累時間較長，同時在噴射前期電池熱失控釋放煙霧的時間也會拉長[3]。

低壓環境中由于氧含量少，使鋰電池中電池噴射物和氧分子的接觸性不足，無法燃燒充分。因此鋰電池噴射物中會存在較多的暗黑色物質，這些是噴射物不充分燃燒的顆粒物，會大大降低噴射物燃燒的亮度。低壓環境中氧含量的下降會提升點火初級階段所需要的能量值。不過電池噴射物的燃燒反應不完全，因此最高溫度會略低于常壓條件，在點燃后電池噴射氣體的可能性會下降，因此在低壓條件下一般不會產生第二次的燃燒情況。由于低壓條件下煙霧釋放的時間拉長，會增加電池池體的加熱時間，導致鋰電池池體燃爆階段的對應溫度提升。氧氣濃度下降，電池會發生不充分化學反應，因此煙霧在釋放過程中會減少一部分熱量，鋰電池的最高溫度會小于常壓條件中電池池體的溫度，電池噴射口溫度也會低于常壓條件下的溫度。

環境壓力的降低使電池熱失控釋放溫度的高溫寬度、峰值數量、持續時間均逐漸降低，同時低壓環境中較低的氧濃度會對熱失控釋放氣體的燃燒反應構成限制，因此低壓環境中鋰電池釋放溫度一般為電池內部材料熱失控反應產生的能量，而熱失控所釋放能量會使電池體外溫度達到900℃，存在電池間的能量傳遞。