航空動力鋰離子電池熱失控行為與氣體燃爆危險性研究進展

關(guān)鍵詞：航空動力鋰離子電池；熱失控；氣體燃爆；爆炸沖擊

“雙碳”目標背景下，交通電氣化被認為是應對能源危機與減少環(huán)境污染的有效解決方案。在航空領(lǐng)域，發(fā)展綠色航空，采取電推進系統(tǒng)取代傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)，成為了實現(xiàn)節(jié)能減排目標的必然選擇[1]。在我國低空經(jīng)濟戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重大決策部署以及全球碳中和大趨勢和新能源交通滲透率快速增長的背景下，電動航空器如垂直起降飛行器（electricverticaltake-offandlanding，eVTOL）、電動飛機等由于其低碳環(huán)保、噪聲低、自動化等級高、運行成本低、安全可靠的優(yōu)勢，成為國內(nèi)外航空領(lǐng)域的發(fā)展熱點。據(jù)預測，電動航空的全球市場規(guī)模將在2028年達到24751.5億元[2]。鋰離子電池因其能量密度高、重量輕、循環(huán)壽命長等優(yōu)勢，成為電動航空應用領(lǐng)域最有前途的候選產(chǎn)品。

作為唯一推進動力供電電源，鋰離子電池安全至關(guān)重要。然而，歐盟航空安全局指出，即使從最優(yōu)供應商處選用最可靠的鋰離子電池單體，并施以適當?shù)臋z查和測試，也無法完全避免產(chǎn)品存在潛在的缺陷。這些缺陷的存在，使鋰離子電池因受到電氣、機械和環(huán)境等多因素影響而產(chǎn)生失效成為可能。當鋰離子電池處在熱濫用（如加熱、高溫環(huán)境等）、機械濫用（如針刺、擠壓等）、電濫用（如過充、過放等）的情況下，電池溫度升高，電池內(nèi)部發(fā)生各種化學反應，包括固體電解質(zhì)界面膜（solidelectrolyteinterfacemembrane，SEI）分解、負極和電解質(zhì)發(fā)生反應、隔膜融化、電解液受熱分解、正極與電解液反應等，反應產(chǎn)生大量的熱量與氣體，這一過程被認為鋰離子電池發(fā)生了熱失控[3-5]。熱失控過程引發(fā)急速的電壓損失、釋放大量的熱量和危害性氣體，對飛行安全影響極大[6]。此外，在實際飛行中，飛行器將會面臨低溫、低壓等特殊環(huán)境條件，將會導致電池內(nèi)部材料性能發(fā)生變化[7]。而對于電動航空器而言，起飛和降落階段的短時高倍率放電可能導致鋰離子電池發(fā)生過度放電現(xiàn)象[8]，這些條件都與電動汽車的鋰離子電池運行工況存在顯著差異，它們對鋰離子電池性能所造成的影響不僅關(guān)系到航空器的安全運行，也成為制約電動航空器適航取證和廣泛應用的主要技術(shù)瓶頸。

電池熱失控過程伴隨著釋放出大量的可燃氣體，其燃爆所釋放的熱量會導致相鄰電池的發(fā)熱和失效，觸發(fā)多節(jié)鋰離子電池熱失控連鎖反應，從而導致大規(guī)模的電池失效發(fā)展成為劇烈的爆炸行為。結(jié)合航空應用和適航需求，通過研究工作確定鋰離子電池熱失控氣體的爆炸特性，有效評估鋰離子電池熱失控的危害性后果，是推動動力鋰離子電池在飛機上安全使用的有效技術(shù)路徑。本文中，將針對鋰離子電池熱失控燃爆行為、熱失控氣體爆炸極限和燃爆危險性后果3個方面進行探討，評估現(xiàn)有研究在航空動力電池安全性領(lǐng)域的不足，并提出針對性的研究建議，以期為電動航空器的安全設(shè)計和適航認證提供科學依據(jù)。

1鋰離子電池熱失控燃爆行為

1.1發(fā)生發(fā)展過程

作為航空器動力能源，鋰離子電池系統(tǒng)通常具備單體容量大、能量密度高、裝配數(shù)量多等特點，然而，當前航空動力鋰電池的應用尚處于起步階段，大規(guī)模的裝機實例相對較少。因此，直接針對航空動力鋰電池系統(tǒng)的熱失控研究數(shù)據(jù)有限。通過借鑒大尺度電池系統(tǒng)的熱失控研究成果，可以間接獲得有關(guān)航空動力鋰電池失效機理的熱失控溫度、熱失控火焰行為等重要信息。這些研究成果不僅有助于理解在航空運行特殊條件下電池系統(tǒng)的行為，也為航空動力鋰電池系統(tǒng)的設(shè)計和安全評估提供了數(shù)據(jù)支撐。隨著電動航空技術(shù)的不斷進步和應用的逐步擴大，這些初步的研究將為未來航空動力鋰電池的安全性研究奠定堅實的基礎(chǔ)。Ping等[9]對大尺寸高能50AhLiFePO4（LFP）/石墨電池組進行了全尺寸燃燒試驗，發(fā)現(xiàn)100%SOC（stateofcharge）電池組的燃燒行為可分為8個階段（如圖1所示）：電池膨脹、第1次噴射火焰、穩(wěn)定燃燒、第2次噴射火焰、穩(wěn)定燃燒、第3次噴射火焰，隨后是穩(wěn)定燃燒、減弱和熄滅，當電池溫度達到175～180℃時，電池會著火，火焰最高溫度可達1500℃。熱釋放率（heatreleaserate，HRR）根據(jù)電池產(chǎn)生的氧氣和內(nèi)部短路的焦耳效應而變化。電池的充電狀態(tài)對電池的最大HRR、總發(fā)熱量和質(zhì)量損失有顯著影響。此外，Ping等[10]還應用錐形量熱計在不同的入射熱流下對100%SOC的LiNiCoAlO2（LNCA）18650電池進行了過熱實驗，發(fā)現(xiàn)當電池暴露在大于35kW/m2的入射熱流中時，會同時發(fā)生火災和爆燃現(xiàn)象。當電池芯溫度高于132℃時，壓力閥開啟，若空氣中熱失控釋放氣體濃度高于可燃下限時，閥門開啟即發(fā)生火災。爆燃發(fā)生在電池溫度達到200℃左右后，主要由陰極分解、溶劑燃燒和陽極相關(guān)熱反應引起，爆燃時電池和火焰的極端溫度分別超過820和1035℃。

航空鋰離子電池適航符合性驗證過程中，依據(jù)RTCADO-311A《航空可充電鋰電池和電池系統(tǒng)最低性能標準》，需采取外部加熱方式觸發(fā)熱失控，以判定系統(tǒng)對鋰離子電池熱失控的包容性。熱濫用作為鋰離子電池熱失控最根本的觸發(fā)因素，當電池內(nèi)部熱量積累到一定程度時，鋰離子電池將會發(fā)生熱失控現(xiàn)象，伴隨著可燃性氣體及內(nèi)容物的釋放。張青松等[11]利用自主設(shè)計的鋰離子電池熱濫用實驗平臺，對不同包裝、數(shù)量、SOC的鋰離子電池，結(jié)合航空器運行環(huán)境條件，遵循航空標準RTCADO-311A的實驗要求，開展了燃爆特性研究，評估了航空鋰離子電池的熱失控風險，確定了在飛行過程中可能的失效模式和后果。由圖2可以看出，鋰離子電池的熱失控過程表現(xiàn)出了明顯的沖擊行為，整個燃爆可分為2個階段：第1階段，電池受到外部加熱后，電池內(nèi)部的電解液開始蒸發(fā)，由液體變?yōu)闅怏w，內(nèi)部壓力升高，由于電池外殼為剛性材料，在高壓作用下幾乎不會發(fā)生形變，導致內(nèi)部壓力急劇升高，直至超出正極附近泄壓閥的最大泄壓量程，導致內(nèi)部氣體通過卸壓孔噴出，出現(xiàn)初爆現(xiàn)象；第2階段，隨著溫度繼續(xù)升高并達到電解液燃點后，因電池內(nèi)部存在大量的電解液蒸氣及可燃物質(zhì)，使得鋰離子電池迅速燃燒，短時間內(nèi)溫度激升，導致更多的電解液汽化燃燒，內(nèi)部壓力急劇升高，最終發(fā)生劇烈的燃燒爆炸現(xiàn)象，并伴隨強大的沖擊力。

綜上，可將鋰離子電池的熱失控燃爆行為分為熱失控沖擊和熱射流兩部分。其中，熱失控沖擊是指電池內(nèi)部化學反應失控導致溫度急劇上升，進而可能引起壓力急劇升高和物理結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)象。在電池過充、過熱或內(nèi)部短路等情況下，電池內(nèi)部的化學反應加速，產(chǎn)生大量熱量。如果熱量不能及時散發(fā)，會導致電池溫度持續(xù)升高，可能觸發(fā)SEI層分解、電解液分解、正極材料與電解液反應等放熱反應，形成正反饋循環(huán)，導致電池內(nèi)部壓力的急劇升高，進而誘發(fā)電池發(fā)生爆炸，對周圍環(huán)境和設(shè)備造成沖擊[12]。熱射流通常伴隨著熱失控沖擊同時發(fā)生，電池熱失控時其內(nèi)部的高壓氣體和蒸氣通過電池安全閥或破裂的殼體迅速噴出，形成高速的熱氣流。當電池內(nèi)部的壓力超過殼體的承受極限時，氣體和蒸氣會通過泄壓閥或殼體裂縫迅速釋放。這些高速噴出的氣體和蒸氣攜帶大量熱量，形成熱射流。熱射流具有高速、高溫和攜帶可燃物質(zhì)的特點，可以迅速傳播火源，引發(fā)鄰近電池或材料的燃燒，甚至可能引發(fā)鋰離子電池熱失控爆炸多米諾連鎖反應，從而對電池系統(tǒng)的安全性構(gòu)成嚴重威脅，增加整個電池系統(tǒng)的安全風險。

在航空器飛行過程中，航空動力鋰離子電池的熱失控燃爆可能導致嚴重的飛行事故，危及飛機上的乘客和機組人員的生命安全，甚至造成機毀人亡的災難性事件。因此，了解和研究鋰離子電池熱失控燃爆行為的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律對于提升航空動力鋰離子電池的安全水平至關(guān)重要，進而滿足適航法規(guī)對電動航空器安全性目標的要求。因此，為剖析鋰離子電池熱失控燃爆行為的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，本文中將對熱失控沖擊壓力和熱射流特性分別展開論述。

1.2沖擊壓力

航空器的質(zhì)量和重心分布是飛行安全的重要考量因素，動力鋰離子電池的設(shè)計必須兼顧高能量密度和輕量化要求，因此，為確保在有限的空間內(nèi)滿足飛行器的性能需求，動力鋰離子電池裝機條件通常為電池艙受限空間。一旦航空動力鋰離子電池發(fā)生熱失控，由于受限空間內(nèi)無法迅速隔離電池并控制火勢，燃爆可能會導致爆炸或火災，對飛行器和乘員造成嚴重威脅。因為飛機難以立即著陸并展開應急處置，在航空器飛行過程中發(fā)生熱失控事件的后果可能會更加嚴重。鋰離子電池熱失控會引起火災、爆炸和氣體排放，排放出的氣體不僅有毒性、易燃性等特點，其噴射過程還會帶來明顯的沖擊行為，沖擊波將對電池艙體造成沖擊作用。借鑒針對能量密度相對較高的三元體系鋰離子電池在密閉空間中的熱失控沖擊特性相關(guān)研究，可深入了解在航空器受限空間內(nèi)鋰離子電池熱失控沖擊的危險性。在沖擊壓力測試方面，Chen等[13]利用如圖3所示的自制半封閉空間裝置對電池在不同充電狀態(tài)和外部加熱功率條件下進行了沖擊壓力測試，分析了安全閥開啟的壓力和持續(xù)時間，并記錄了從安全閥開啟至熱失控強烈噴射階段之間的間隔時間。分析圖4中壓力變化的初始壓力上升溫度（temperatureofinitialpressure-rise，TIPR）和最大壓力溫度（temperatureofmaximumpressure，TMP）可以得出：初始壓力上升溫度和最大壓力溫度隨著電池SOC的升高而下降，較高的SOC會導致初始壓力上升，并在相對較低的溫度下更容易達到最大壓力。從圖5所示的鋰離子電池熱失控沖擊壓力變化率（dp/dt）曲線可以看出，熱失控并不是一次性噴出所有火焰和氣體，過壓的釋放是一個劇烈的振蕩過程，這種情況在鋰離子電池SOC較高的情況下尤其顯著。此外，Chen等[13]推測，在半封閉空間內(nèi)，當電池靠近人的胸部時，單個18650型能量密度為248Wh/kg的鋰離子電池熱失控可能導致的事故死亡率接近10%，航空動力鋰電池的能量密度更高時，危險性也相應提高。

在鋰離子電池系統(tǒng)多節(jié)電池熱失控過程中，沖擊壓力是影響火焰?zhèn)鞑ゼ盁崃總鞑サ闹匾蛩兀壳霸谶@一領(lǐng)域的研究相對較少。Chen等[14]使用加熱棒替代了封裝包中心位置的電池，以過熱的方式觸發(fā)整個封裝包內(nèi)所有電池熱失控，并在封裝包的右側(cè)和后側(cè)設(shè)置壓力傳感器以記錄熱失控噴射火焰的沖擊壓力變化規(guī)律，具體實驗設(shè)置如表1所示。

在多次鋰離子電池熱失控實驗中，可以明顯測量到強烈的沖擊壓力，并且B-30與R-30在相同距離處的2個壓力值不同，氣體沖擊壓力變化規(guī)律如圖6所示（1psi=6894.757Pa），發(fā)生這一現(xiàn)象的主要原因應與熱失控火彈射的方向性有關(guān)，熱失控火彈射方向是不確定的，面向彈射方向的壓力傳感器可以承受較高的沖擊壓力。此類研究可用于優(yōu)化電池在電動航空器的裝機設(shè)計，避免熱失控對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的影響。同時，此類研究也為后續(xù)航空動力鋰離子電池的相關(guān)研究提供了方向，針對受限空間內(nèi)航空動力鋰離子電池的特殊安全性問題，通過在實驗室或模擬飛行環(huán)境中對電池的熱失控行為、安全控制措施的效果等進行測試，可以獲取更具有針對性的數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果用以設(shè)計提升航空動力鋰離子電池的安全性能。

1.3熱射流特性

鋰離子電池熱失控過程中，隨著溫度的逐步升高，內(nèi)部會發(fā)生一系列化學反應，釋放出大量的熱和氣體，當電池內(nèi)部壓力超過電池可承受的最大壓力時，氣體將會從電池內(nèi)部噴出產(chǎn)生射流。研究射流行為有助于充分了解在熱失控情況下電池內(nèi)部的氣體釋放過程，用于鋰離子電池裝機熱防護系統(tǒng)的設(shè)計，例如航空鋰離子電池的熱管理系統(tǒng)。通過分析射流的特性，可以確定噴射過程中壓力、溫度和速度的變化，從而有效預測并采取相應措施應對潛在的安全風險。在航空器等裝機要求嚴苛的環(huán)境下，正確設(shè)計熱管理系統(tǒng)可以有效減輕熱失控事件帶來的影響。

在電池內(nèi)部壓力的驅(qū)動下，熱失控的噴射過程涉及電池快速從減壓閥口噴射出多相高溫流。Zou等[15]通過對100%SOC的38AhLi（Ni1/3Co1/3Mn1/3）O2/石墨方形鋰離子電池的一側(cè)加熱以觸發(fā)熱失控，用噴流表現(xiàn)、溫度和速度表征了熱失控射流的行為，總結(jié)出4個階段（如圖7所示）：第1階段，減壓閥被迫發(fā)出一種獨特的聲音，噴射的主要成分可能是氣液相中的電解質(zhì)，這個階段只持續(xù)了數(shù)秒；第2階段或過渡階段，此階段熱失控射流具有介于第1階段與第2階段之間的射流特征，白色和灰色射流間歇性出現(xiàn)，這個階段的射流同樣只持續(xù)了很短的時間；第3階段看似穩(wěn)定，但可能出現(xiàn)射流傾斜、火花爆裂、射流火等特殊現(xiàn)象；第4階段可能包括初始動量較低的羽流。

Mao等[16]建立了18650型鋰離子電池射流特性和火焰動力學的集總模型，并通過實驗進行了驗證，發(fā)現(xiàn)鋰離子電池熱失控的射流非常復雜，整個過程由一個具有源項的瞬態(tài)過程（反應同時產(chǎn)生氣體）組成，并且氣體生成速率影響鋰離子電池的內(nèi)壓，內(nèi)壓影響噴嘴處的流動狀態(tài)。隨著射流的衰減，出口氣流由阻塞流過渡到亞聲速流，射流火焰由動量流過渡到浮力流，當鋰離子電池陷入熱失控時，氣體產(chǎn)生速率急劇升高至2.724g/s，孔口處的峰值氣體速度為162.0m/s。該研究解釋了鋰離子電池火災動態(tài)行為，填補了熱失控期間氣體產(chǎn)生速率和射流速度的知識空白。

鋰離子電池熱失控所產(chǎn)生的射流火焰與其他可燃物燃燒的火焰不同，熱失控火焰除了具有熱量、噴射火焰等特征外，內(nèi)部還包含氣體、蒸氣和顆粒的高溫混合物（jetfireandhigh-temperaturemixture，JFHM）。Chen等[17]以不同的充電狀態(tài)（SOC）或加熱功率加熱18650型電池，使其發(fā)生熱失控，并通過高速紅外攝像機捕捉到火焰彈射過程，以半定量的方式得到了JFHM的演化過程，如圖8所示，JFHM的垂直噴射呈現(xiàn)明顯的V形，而水平噴射從正面來看更分散，得到了JFHM垂直火焰長度和水平火焰長度等參數(shù)，提出了一種半定量分析方法來評價噴射的高溫范圍。

航空器鋰離子電池系統(tǒng)的安裝環(huán)境具備典型的受限空間特征，為研究鋰離子電池在受限空間內(nèi)的熱失控氣體燃燒情況，張青松等[18]使用高速攝像機記錄了不同外部加熱功率下鋰離子電池熱失控過程氣體燃燒的熱射流火焰高度，如圖9所示。他們建立了受限空間內(nèi)鋰離子電池熱解氣體燃燒的產(chǎn)熱模型，并基于火焰高度估算了熱失控氣體燃燒熱釋放速率，利用Fluent軟件模擬了受限空間內(nèi)熱解氣體燃燒導致環(huán)境溫度的變化，并進行了實驗驗證，發(fā)現(xiàn)鋰離子電池熱失控時氣體燃燒會產(chǎn)生穩(wěn)定的火焰，火焰持續(xù)燃燒約16s，當外部熱源加熱功率升高時，熱解氣體燃燒火焰高度峰值和熱釋放速率峰值都隨之增大。利用受限空間內(nèi)鋰離子電池熱失控氣體燃燒產(chǎn)熱模型得到的模擬結(jié)果與實驗測量所得數(shù)據(jù)基本吻合，驗證了模型的可靠性。鋰離子電池熱失控時氣體燃燒產(chǎn)生的穩(wěn)定火焰特性的相關(guān)研究，有助于針對航空動力鋰離子電池制定更合理的安全措施和設(shè)計更有效的熱防護系統(tǒng)，以應對潛在的熱失控危險。同時，在設(shè)計電池系統(tǒng)時，可以考慮該研究結(jié)果中提到的外部熱源對熱解氣體燃燒火焰高度和熱釋放速率的影響，進一步優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和安全措施。

2鋰離子電池熱失控氣體爆炸極限

2.1爆炸極限測定方法

鋰離子電池熱失控釋放氣體爆炸是一個非常嚴重的風險因素，在航空器鋰離子電池艙受限空間內(nèi)，氣體燃爆威力更大，極易引發(fā)周圍電池發(fā)生大規(guī)模的二次燃爆。在當前典型鋰離子電池爆炸危險性分析中，爆炸極限、層流火焰溫度和最大爆炸超壓是用于評價整體危險性的關(guān)鍵指標。其中，爆炸極限是評價可燃氣體可燃性和爆炸性的重要參數(shù)之一，可用以確定鋰離子電池在運輸、使用和儲存過程中不被爆炸性氣體傷害的閾值。層流火焰溫度和最大爆炸超壓是表征熱失控氣體爆炸時刻的危險參數(shù)。測定熱失控氣體的爆炸特性對航空器鋰離子電池的安全性管理和電動航空器的安全運行具有重要意義。通過爆炸極限的測定可以評估和理解在不同條件下氣體爆炸可能發(fā)生的情況，有助于識別潛在的風險因素和爆炸特性參數(shù)，為制定有效的安全措施和風險管控策略提供依據(jù)，為航空器鋰離子電池艙的安全設(shè)計提供重要參考。在電動航空器設(shè)計初期，測定結(jié)果可確定航空鋰電池的爆炸危險級別，為電池艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計、安全隔離措施和防護系統(tǒng)等安全防護等級的設(shè)立提供依據(jù)，確保電池系統(tǒng)在工作和異常情況下的安全性。目前，存在多種在氣體爆炸領(lǐng)域中關(guān)于爆炸極限的測定裝置、點火裝置和判定依據(jù)[19]，如表2所示。

早期熱失控未大面積傳播時，會在電池包、電池艙或局部機艙內(nèi)部通過燃燒、釋放氣體營造出高溫高壓環(huán)境，高溫高壓條件下可燃性氣體或蒸汽的爆炸極限測定包括測定裝置、點火方式和判定依據(jù)較常溫常壓下完全不同。因此，有必要進一步研究高溫高壓條件下爆炸極限的測定裝置、測定方法，尤其是爆炸現(xiàn)象的判定依據(jù)仍不清晰。

2.2爆炸極限理論計算方法

目前，在熱失控氣體爆炸極限理論計算方面，大量學者進行了廣泛的研究。褚英杰等[27]首先選用改進的Le-Chatelier方程等理論模型對常溫、常壓下混合氣體的爆炸極限進行了估算，再采用Zabetakis方程對不同的初始氣壓、溫度進行了修正，來研究氣壓、溫度的變化對混合可燃氣體的爆炸極限的影響，最后通過實際實驗進行了驗證。研究表明，采用Le-Chatelier方程等理論計算模型對爆炸下限（lowerexplosionlimit，LEL）的計算結(jié)果具有較高的準確度，這些理論計算模型適用于壓力試驗環(huán)境下混合可燃氣體爆炸極限的估算與分析。

Baird等[28]在評估鋰離子電池熱解氣體爆炸極限的計算方法時，對Le-Chatelier定律和臨界絕熱火焰溫度法（criticaladiabaticflametemperature，CAFT）進行了比較分析。他們指出，Le-Chatelier定律在評估電池熱失控氣體的爆炸極限時可能存在一定的誤差，因為這種方法是針對碳氫化合物的爆炸極限計算而設(shè)計，而電池熱失控產(chǎn)生的氣體中不僅包含碳氫化合物，還有氫氣、一氧化碳以及惰性氣體如二氧化碳等。另一方面，CAFT方法是一種確定空氣-可燃氣體-稀釋劑混合氣體爆炸下限的方法。在CAFT方法的標準應用中，烴類混合物的臨界溫度被設(shè)定為1573K。然而，這個溫度對于含氫的混合氣體來說并不適用，因此CAFT方法在計算熱失控氣體的爆炸極限時也存在局限性。

相關(guān)學者在修正和應用Le-Chatelier定律的替代方法上進行了一定的探索。Bounaceur等[29]針對CAFT法進行了改進，通過對每種可燃氣體的絕熱溫度加權(quán)求和來表征混合氣體的絕熱臨界溫度。基于Bounaceur方法所求得的結(jié)果優(yōu)于未經(jīng)改進的Le-Chatelier法和CAFT法。Chen等[30]采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀探究了加熱功率和加熱溫度對LiNixMnyCozO2鋰離子電池熱失控氣體組分的影響，并依據(jù)探測到的氣體組分應用改進后的Le-Chatelier公式進行了爆炸極限的理論計算，同時采用實驗對爆炸下限的計算結(jié)果進行誤差檢驗，誤差均小于5%。如圖10所示，鋰離子電池熱失控氣體的爆炸極限會隨加熱功率和加熱最高溫度的升高而逐漸降低，使得熱失控氣體的爆炸危險性升高。

張偉等[31]引入航空應用場景中的低氣壓環(huán)境開展了熱失控氣體爆炸極限研究。他們通過收集不同氣壓及SOC狀態(tài)下鋰離子電池的熱失控氣體并進行組分分析，分析結(jié)果如表3所示，并依據(jù)氣體組分含量應用改進后的Le-Chatelier方法計算了熱失控氣體爆炸極限。在30kPa環(huán)境壓力下，25%SOC和100%SOC的鋰離子電池熱失控氣體的爆炸極限范圍分別為6.58%～24.38%和8.01%～53.35%。在101kPa環(huán)境壓力下，25%SOC和100%SOC的鋰離子電池熱失控氣體的爆炸極限范圍分別為6.08%～22.58%和8.89%～46.81%。由此可以看出，隨著SOC的升高，電池的熱失控反應變得更加劇烈，釋放的易燃氣體更多，爆炸極限范圍也隨之變寬。當鋰離子電池熱失控發(fā)生所處環(huán)境的壓力越低，由于周圍空氣中氧氣含量不足，鋰離子電池熱失控釋放的易燃氣體燃燒消耗量相對較少，易燃氣體和惰性氣體在空氣中所占的比例相對增大，從而導致熱失控氣體的爆炸極限范圍也隨壓力的降低而變寬。綜上所述，鋰離子電池熱失控氣體的潛在爆炸危險性隨SOC的增大而上升，并且隨環(huán)境壓力的降低而上升。

Zhang等[32]在鋰離子電池熱失控氣體爆炸極限的研究中發(fā)現(xiàn)，在爆炸上限（upperexplosionlimit，UEL）的計算過程中，由于爆炸上限處可燃物的反應不完全，Le-Chatelier在此過程中并不能較好地適配。但從熱力學的角度來看，空氣氣氛下可燃氣體的爆炸極限本質(zhì)上是反應熱產(chǎn)生與系統(tǒng)散熱之間的能量平衡極限，可燃氣體釋放的能量以耗氧量計，在數(shù)值上等于可燃氣體和空氣在系統(tǒng)中損失的總熱量，該原理適用于爆炸上限處的反應極限狀態(tài)，因此引入氧消耗法計算爆炸上限。氧消耗法的原理是，無論反應過程如何，單位質(zhì)量的氧氣被消耗的同時，放出的熱量都是大致恒定的。這一原理不僅可用于大多數(shù)基于氧氣的強氧化還原反應，對爆炸上限處的反應極限狀態(tài)也同樣適用。根據(jù)熱失控氣體爆炸極限的理論計算結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)鋰離子電池熱失控氣體的爆炸上限隨電池SOC的提高呈現(xiàn)先降后升的變化趨勢。這與不同SOC電池熱失控產(chǎn)生的CO和可燃烴類含量差異有關(guān)：SOC低時，由于反應較充分，產(chǎn)生的熱解氣體主要組分為CO2，CO和可燃烴類占比較少；而當電池處于較高SOC水平時，由于熱失控劇烈而導致反應不完全，產(chǎn)生的CO較多而CO2較少，同時也因為負極更多的活潑鋰離子經(jīng)過還原和親核反應，與電解液產(chǎn)生更多的不飽和烴，而使得熱失控氣體的爆炸極限范圍進一步擴大。

2.3爆炸極限的原位測定方法

熱失控氣體中含有大量的高沸點組分，如碳酸二甲酯（dimethylcarbonate，DMC）和碳酸甲乙酯（ethylmethylcarbonate，EMC），其沸點分別為90和107℃，這些組分在收集過程中的冷凝效應會對爆炸極限的計算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。為了保證爆炸極限的原位測定和氣體成分分析的準確性，Zhang等[33]搭建了原位爆炸極限測定平臺，如圖11所示，基于二分法原理對熱失控氣體的爆炸極限進行了原位測定。為保證鋰離子電池熱失控氣體的原位性，避免熱失控氣體與氧氣反應，在實驗開始前，使用氮氣對裝置內(nèi)進行洗氣，并在裝置外部包裹加熱帶，通過溫控儀進行恒溫控制，溫度恒定為110℃，防止熱失控氣體中高沸點成分凝結(jié)。該研究對不同SOC的商用NCM811電池熱失控釋放氣體的爆炸特性進行了檢測，共經(jīng)過了96次重復實驗，確保測定結(jié)果的誤差小于0.5%。研究結(jié)果表明，鋰離子電池熱失控氣體的爆炸下限隨電池SOC的提高先升后降，爆炸上限隨SOC的提高呈近似線性提高，爆炸極限范圍隨SOC的提高而變寬。

考慮到鋰離子電池在電動航空器的真實應用場景，張青松等[32]搭建了鋰離子電池爆炸極限測試平臺，采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀監(jiān)測不同氣壓下電池釋放氣體的組分及比例，針對高空低氣壓環(huán)境下的鋰離子電池熱失控氣體進行了研究。選用100%SOC的18650型電池在30、70和101kPa的不同環(huán)境壓力下開展了實驗，發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境壓力的降低，熱失控氣體的爆炸極限范圍也隨之變寬。同時CO2含量減少，而不飽和烴C4H8、C4H6和C5H10等氣體含量增加，而這也正是低壓環(huán)境下爆炸風險更大的原因。氣相質(zhì)譜色譜儀技術(shù)雖然在氣體檢測精度方面具有一定的優(yōu)勢，但其分析時間長且不具備原位性。因此，張青松等[34]采用氣體拉曼光譜與氣相質(zhì)譜色譜儀聯(lián)用技術(shù)，探究了航空低氣壓下不同SOC對鋰離子電池熱失控氣體爆炸極限的影響。研究表明，壓力和SOC越高，鋰離子電池熱失控生成的氣體越多，氣體的毒性越大；壓力越低，SOC越高，電池熱解氣體的爆炸極限越寬，氣體潛在的爆炸危險性更高。此外，氣體拉曼光譜技術(shù)與氣相質(zhì)譜色譜儀的互補性在分析電池熱解氣體方面具有較強優(yōu)勢，特別是針對航空鋰離子電池熱失控早期預警特征的氣體CO、CO2、PF3和C2H4及電解液（C3H6O2、C3H6O3、C4H8O2）的分析。

目前針對航空鋰離子電池特殊工況下的爆炸特性的研究仍不完善，在后續(xù)的研究中，可深入研究航空鋰離子電池爆炸的動力學和熱力學特性，探討爆炸釋放氣體的組成、溫度和速度等對爆炸過程的影響。結(jié)合實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，建立更精確的爆炸模型，為爆炸特性的預測和管理提供更可靠的依據(jù)。此外，還應對航空鋰離子電池系統(tǒng)的安全防護技術(shù)開展研究，提高電池系統(tǒng)在爆炸情況下的包容性和安全性。在未來應進一步研究航空鋰離子電池爆炸的預防和應對技術(shù)，包括新型材料的應用和熱管理系統(tǒng)的設(shè)計等，不斷優(yōu)化電池系統(tǒng)的安全性設(shè)計和熱防控技術(shù)，提高航空鋰離子電池系統(tǒng)在熱失控危險情況下的耐受性和應對能力，從而降低發(fā)生熱失控氣體二次爆炸的風險。

3鋰離子電池熱失控氣體爆炸危險性后果評估

3.1熱失控氣體爆炸風險評定

鋰離子電池熱失控產(chǎn)氣若得不到有效釋放，當存在點火源或高溫物體時，熱失控氣體燃燒釋放的熱量可能會導致相鄰電池的發(fā)熱和失效，從而導致大規(guī)模的電池失效發(fā)展成為劇烈的爆炸行為。有害氣體爆炸后果的量化評定結(jié)果是航空器系統(tǒng)安全設(shè)計的重要輸入。目前，針對鋰離子電池的危險性后果評估的研究偏少。Zhang等[35]通過外部加熱使不同SOC鋰離子電池在N2環(huán)境下發(fā)生熱失控，并提出了使用基于氣體爆炸指數(shù)的鋰離子電池噴發(fā)指數(shù)定量分析氣體爆炸危險性。Wang等[36]根據(jù)電池過充電行為和熱失控特性，提出了一種安全評估評分系統(tǒng)來評估電池的安全性，使用熱失控發(fā)生時間、最大溫差（maximumtemperaturedifference，MTD）超過10℃的時間、熱失控最高溫度和熱失控最大溫升速率4個參數(shù)評估鋰離子電池熱失控危險性。Kim等[37]主要使用錐形量熱儀測量鋰離子電池熱失控火災風險評估相關(guān)的燃燒熱釋放速率，并提出了一個考慮熱釋放速率峰值和時間等的綜合參數(shù)來評估火災和爆炸危險程度。Shan等[38]通過研究鋰離子電池熱失控溫度和爆炸帶來的沖擊波超壓，采用風險矩陣方法評估了鋰離子電池熱失控的風險，其中使用壓力代表后果程度，溫度代表發(fā)生概率。Somandepalli等[39]利用20L燃燒室對爆炸范圍和爆炸嚴重度進行了實驗測定，測定得到鋰離子電池比甲烷具有更大的爆炸極限范圍，利用化學點火器點燃燃燒室內(nèi)與空氣配比的氣體，得到熱失控釋放氣體的爆炸上下限，熱失控氣體的爆炸下限約為6.3%。Baird等[28]使用開源化學動力學建模工具（Cantera）估算鋰離子電池的爆炸下限、層狀火焰速度和最大過壓，量化了鋰離子電池的爆炸危險性。Li等[40]對NCA（LiNi0.8Co0.15Al0.05O2）和LFP鋰離子電池進行了外部加熱，使其熱失控，研究了電池熱失控釋放氣體的燃燒爆炸特性，包括燃燒上下限、可燃性危險指數(shù)和防火安全閾值等，其中可燃性危險指數(shù)用可燃上下限的差值與下限之比表示。此外，Li等[41]還基于Somandepalli等[39]、Essl等[42]、Golubkov[43-44]、Lammer等[45]和Zhang等[46]在惰性氣氛中進行的29次熱失控測試，定量報告了4種主流電池的熱失控氣體火災三角形對應的3個火災邊界，研究發(fā)現(xiàn)，點火溫度隨點火源類型的不同而變化很大。因此，控制SOC和/或選擇合理的電池類型可以改變熱失控燃爆所需熱失控氣體與氧氣的混合氣體濃度，有望有效降低鋰離子電池在實際工作應用中起火的概率。

張青松等[47]針對鋰離子電池熱失控氣體爆炸危險性的評估提出了熱失控氣體爆炸敏感性的概念。首先，基于鋰離子電池熱失控氣體的爆炸極限、升壓速率等特征，得到爆炸危險度和爆炸嚴重度等因子作為爆炸敏感性的特征參數(shù)，并用爆炸風險定量表征了鋰離子電池熱失控氣體的危險程度，發(fā)現(xiàn)高SOC電池熱失控釋放的氣體更容易爆炸，易造成二次燃爆危害的發(fā)生，且爆炸發(fā)生后，高SOC電池在爆炸上下限附近爆炸的嚴重度比低SOC電池更大；在爆炸極限范圍中間濃度節(jié)點時，高SOC電池的爆炸嚴重度比低SOC更大；在爆炸上下限附近時，SOC越高，熱失控產(chǎn)氣的爆炸風險越高；在爆炸極限中間節(jié)點時，高SOC電池的爆炸風險明顯高于低SOC電池的爆炸風險，且對于同一SOC電池，爆炸極限范圍中間濃度節(jié)點的爆炸風險明顯高于其他濃度節(jié)點，具有更大的危險性。

通過對鋰離子電池熱失控氣體的爆炸后果進行評估，可以確定在特定條件下電池發(fā)生爆炸的可能性和嚴重程度，以指導電動航空器電池制造商改進電池設(shè)計，選擇更安全的電池材料，提高電池的熱穩(wěn)定性和機械強度，從而降低熱失控和爆炸的風險。在電動航空器設(shè)計初期，鋰離子電池爆炸危險量化后果評估參數(shù)可用于電池安裝位置、散熱系統(tǒng)、隔離措施等航空動力鋰離子電池系統(tǒng)的安全性設(shè)計。此外，鋰離子電池熱失控和爆炸特性評估可為未來電動航空器的鋰離子電池安全防控技術(shù)提供研究思路，如開發(fā)新型電池管理系統(tǒng)（batterymanagementsystem，BMS）監(jiān)測航空鋰離子電池系統(tǒng)工作過程中的溫度、氣體濃度等，以實現(xiàn)更有效地監(jiān)控和控制電池狀態(tài)。

3.2老化鋰離子電池熱失控氣體的爆炸危險性

持續(xù)適航安全性是航空器全壽命周期運行的重要屬性。隨著飛行器起降次數(shù)的累積，鋰離子電池循環(huán)老化不可避免。聚焦老化后鋰離子電池熱失控后的產(chǎn)氣爆炸危險性并探索兩者關(guān)聯(lián)，可為持續(xù)適航維護保障措施提供指引。楊娟等[48]將計算機斷層掃描（computedtomography，CT）無損檢測與原位檢測熱失控氣體爆炸危險性相結(jié)合，針對不同循環(huán)充電次數(shù)的老化鋰離子電池開展了研究，使用CT無損檢測技術(shù)對老化電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行掃描（圖12），發(fā)現(xiàn)在電池循環(huán)圈數(shù)超過80圈后，電池層狀結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯形變。

由圖13可知，老化40圈后電池熱失控氣體的爆炸下限上升，火焰溫度和爆炸壓力也開始回升，即熱失控氣體的爆炸危險性回升。老化鋰離子電池在各種濫用工況下發(fā)生熱失控的可能性隨著循環(huán)積累而提高。隨著老化程度的加重，熱失控氣體爆炸下限表現(xiàn)出上升的趨勢，爆炸上限基本保持不變，爆炸范圍總體呈現(xiàn)收斂的趨勢。根據(jù)鋰電池CT掃描圖像與熱失控氣體爆炸極限測定結(jié)果可知，電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)形變程度越嚴重，電池內(nèi)部反應越不充分，電解液蒸氣等其他可燃物質(zhì)未參與反應便逸出電池。因此，在40圈循環(huán)老化之后，隨著老化程度的加重，熱失控氣體爆炸危險性回升。

老化鋰離子電池爆炸危險性的研究可為航空器的持續(xù)適航維護提供了科學依據(jù)，特別是在評估和預測電池老化對飛行安全的影響方面，通過了解電池老化后熱失控氣體的爆炸特性，可以制定更有效的電池維護和更換策略，以減少飛行中的安全風險。研究結(jié)果有助于改進電池設(shè)計，提高電池的安全性和可靠性，從而延長電動航空器的使用壽命。對于航空器的適航認證和安全監(jiān)管而言，研究成果可提供重要的危險程度等技術(shù)參數(shù)，有助于制定更完善的適航要求。

4結(jié)論與展望

由于航空器運行環(huán)境的特殊性，鋰離子電池熱失控及爆炸將會引發(fā)災難性后果，從全球電動航空的發(fā)展近況來看，航空鋰離子電池安全問題較大程度上限制了電動航空器的適航取證和大規(guī)模應用。本文綜述了電池熱失控期間發(fā)生爆炸的機理及其后果，圍繞鋰離子電池熱失控爆炸沖擊、熱失控氣體燃爆熱射流、熱失控氣體爆炸極限測定以及氣體燃爆危險性評估的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了分析。

（1）在電池熱失控爆炸沖擊方面，國內(nèi)外已開展了大量的實驗研究，基本闡明了鋰離子電池熱失控失效機理，并對熱失控燃燒爆炸行為及沖擊發(fā)展過程進行了一定的探索。但現(xiàn)有研究主要集中在對單節(jié)電池燃爆沖擊行為的研究，對觸發(fā)機制的機理性分析較少，并且缺乏與實際應用場景結(jié)合的多節(jié)電池熱失控燃爆分析。隨著航空動力鋰離子電池系統(tǒng)的廣泛應用及其安全性問題的凸顯，可結(jié)合實驗與仿真的手段對熱失控爆炸沖擊行為與多節(jié)電池熱失控傳播的影響規(guī)律進一步開展研究工作。

（2）在鋰離子電池熱失控氣體燃爆行為方面，國內(nèi)外已對不同類型的鋰離子電池開展了廣泛的研究，總結(jié)了鋰離子電池熱失控熱射流形成機制及發(fā)生發(fā)展過程，揭示了熱失控產(chǎn)氣產(chǎn)熱過程與射流火焰行為，一定程度上完善了鋰離子電池熱失控火災動力學。

（3）在鋰離子電池熱失控氣體爆炸極限方面，國內(nèi)外標準雖然關(guān)于可燃氣體爆炸極限的測定已經(jīng)具備了成熟的測定方法，但還未有針對鋰離子電池熱失控氣體的標準流程。相關(guān)學者已在理論計算的公式改進與原位測定方面進行了大量的探索，對鋰離子電池熱失控氣體燃爆危險性有了初步的了解。然而，鋰離子電池熱失控所釋放氣體的危險性研究多關(guān)注于電池本身，如SOC、材質(zhì)等各指標變量，在實際使用場景下，過充、循環(huán)老化、工作環(huán)境溫度、振動等對電池的影響仍需進一步深入研究。

（4）鋰離子電池熱失控氣體爆炸敏感性概念的提出，可系統(tǒng)闡述爆炸發(fā)生的可能性，但目前該研究工作缺乏對氣體爆炸起始條件的關(guān)注，應擴充對可燃性危險指數(shù)和防火安全閾值等安全性指標的研究，形成一套安全性評估體系來評估鋰離子電池的安全狀態(tài)。

研究鋰離子電池熱失控和燃爆行為，量化評估鋰離子電池熱失控爆炸沖擊的危險性，不僅可用于優(yōu)化鋰離子電池自身設(shè)計，而且有助于有針對性地研發(fā)預警、抑制和滅火等防護措施；研究成果還可以為適航標準的制定提供科學依據(jù)，確保電池產(chǎn)業(yè)的規(guī)范發(fā)展；這一研究方向的深入探索對于新興能源技術(shù)在電動航空領(lǐng)域的安全應用和可持續(xù)發(fā)展起到關(guān)鍵作用，為可持續(xù)能源航空提供有力支持。