基于環境試驗設備的鋰離子電池燃爆特性分析

鄭昆，侯衛國,2，馬軍，林文表，傅釗

（1.廣州五所環境儀器有限公司，廣州 511370； 2.工業和信息化部電子第五研究所，廣州 511370）

引言

隨著新能源汽車產業的大力發展，作為新能源汽車動力單元的鋰離子電池一直是各汽車生產大國研究的重點，一旦鋰電池出現燃燒或爆炸等反應，難以撲滅、并瞬間向外釋放較大沖擊力，進而可導致新能源汽車整車損毀、人身傷亡等重大財產安全事故的發生，以至于鋰電池在生產及使用過程中的安全性、可靠性是各生產廠商及汽車制造商面臨的問題，因此需要對其在不同環境下安全性進行評估和可靠性測試[1,2]。在鋰電池環境試驗領域，為防止鋰電池在試驗過程中出現燃燒爆炸時對試驗設備造成破壞，在設計鋰電池環境試驗設備時需考慮受限空間內鋰電池的燃燒、爆炸特性。

1 鋰電池工作原理

鋰電池主要由正極、負極、隔膜、電解液、安全閥、絕緣墊、殼體等組成。帶電鋰離子在正負極之間運動，從而實現電荷轉移，給外部電路供電或者從外部電源充電，工作原理圖如圖1所示。

圖1 鋰離子電池充放電工作原理圖

具體的電池充電過程中，外電壓加載在電池的兩極，鋰離子從正極材料中脫嵌，進入電解液中，鋰離子在電解液中向負極運動，穿過隔膜到達負極石墨層狀結構中，同時電子經外部電路向負極運動，與負極鋰離子結合；放電過程中，鋰離子從負極表面脫嵌經過電解液，再穿過隔膜嵌入到正極材料中，同時電子經外部電路向正極運動，與正極上的鋰離子結合[3]。

2 鋰電池燃爆分析

當鋰電池處在外部高溫環境、異常充電、或負荷短路等條件下時，電池局部溫度升高，局部升高的溫度熱擴散，引起電池內部發生化學反應，產生大量的熱量與氣體，電池熱失控，當積累到一定程度就會引起電池的燃燒爆炸[4,5]，鋰電池燃燒爆炸機理見圖2所示。

圖2 鋰電池燃燒爆炸機理

2.1燃燒過程分析

當鋰電池局部溫度升高達到熱失控臨界溫度（123.8~139. 2）℃[6]時，電池負極表面的固體電解質界面膜（SEI膜）首先經（1）發生化學反應溶解，產生O2、C2H4、CO、H2等助燃可燃氣體。

當SEI膜溶解后，負極與電解液發生反應（2）（3）（4）（5）（6），生成C2H4、C2H6等可燃氣體，并使溫度急劇升高。

電池正極（以三元鋰為例）發生反應生成O2：

最后電池內部反應生成的可燃氣體經過燃燒生成CO2、CO和H2O[7-9]：

由以上分析可知，鋰電池發生的燃燒前期主要為無氧燃燒，因此以窒息為主要滅火原理的滅火劑對鋰電池的燃燒并未產生明顯效果，但可有效迅速降低燃燒時的溫度，阻止電池內部進一步化學反應，進而可達到抑制電池燃燒的目的。因此針對鋰電池環境試驗設備應配備能使電池迅速降溫的滅火系統，同時配備電池溫度監測模塊，實時監測電池溫度是否接近或達到熱失控臨界溫度。

2.2爆炸沖擊分析

電池燃燒、爆炸過程主要分為兩個階段：①電池受熱內部反應產生氣體超過安全閥壓力時，氣體通過泄壓口噴出，此為初爆；②電池內部溫度持續升高，化學反應加劇，在短時間內電池內部溫度和壓力激增，向外噴射火星，伴隨著較大的沖擊力，此為燃爆[10]。鋰電池燃爆過程TNT當量TNTm，可按式（9）計算[8,11]。

式中：

U—鋰電池發生燃爆時的反應熱；

cp—電池比熱容；

mcell—電池燃爆前質量；

T0、Tmax—電池發生燃爆表面的初始溫度和最高溫度；

HTNT—TNT炸藥的爆熱，為 （4 437～4 765）J/g，選取中間量 4 601 J/g。

依據熱力學第一定律[12]：

鋰電池燃爆過程中，取鋰電池為系統。進入系統的能量：電池儲存的電能，按照電池的當前能量計算；離開系統的能量=0；系統儲存能量的變化：燃爆過程的放熱、沖擊力等。因此，電池的TNT爆炸當量可用式（11）計算。

式中：

W—鋰電池當前能量，單位Wh。

在設計鋰電池環境試驗設備時需考慮當前被試樣品可能的最大沖擊力，因此將電池的額定能量計算TNT當量最大值。TNT炸藥爆炸時在受限空間內會產生瞬間沖擊波壓力和準靜態壓力，其中準靜態壓力是由于炸藥爆炸產生的高溫、高壓氣體向外膨脹受到密閉空間約束形成，具有代表性的計算公式，如式（12）[13,14]。結合鋰電池燃爆過程的特點，鋰電池燃爆的最大沖擊壓力按TNT爆炸的準靜態壓力計算。

式中：

m—TNT當量，單位：kg；

v—受限空間體積，單位：m3；

p—準靜態壓力，單位：MPa。

為驗證式（12）的準確性，將文獻[8]采用某三元鋰電池在60 L受限空間內加熱燃爆試驗的數據采用式（12）進行計算，列于表1。

表1 式（12）計算驗證

由表1可知，文獻[8]測得的壓力值與采用式（12）計算值接近，可用于估算鋰電池在受限空間內燃爆產生的壓力值，但式（12）是經驗公式，受限空間內電池燃爆產物反應過程復雜，目前沒有較好的模型，因此式（12）計算結果與實際情況會存在差異。下面以式（12）計算不同鋰電池在不同容積下產生的最大準靜態壓力，列于表2。

表2 不同鋰電池在不同容積下的準靜態壓力計算

由表2及式（12）可知，鋰電池燃爆過程產生的壓力與電池能量成正比，與受限空間的體積成反比，相同能量大小的電芯在體積越大的容積所產生的準靜態壓力越小。因此在設計或選擇鋰電池環境試驗設備時應盡可能采用大容積的試驗箱，同時針對電池燃爆釋放壓力，鋰電池環境箱應考慮具備壓力釋放裝置，當電池發生燃爆時產生的沖擊壓力經試驗箱壓力釋放裝置泄壓，進而可進一步保護試驗設備。

3 結束語

本文從鋰電池燃燒過程、爆炸沖擊等方面分析了鋰電池燃爆特性，并將鋰電池燃爆沖擊力與TNT爆炸類比，得出鋰電池環境試驗設備應具備大容積、壓力釋放裝置、以快速降溫為原理的滅火系統、電池溫度監測預警裝置等功能，對鋰電池環境試驗設備的研制可提供參考。