P機械沖擊條件下鋰離子蓄電池安全性分析

摘要：煤礦井下環境惡劣且空間狹小，鋰離子蓄電池容易遭受外部的物理沖擊或損害，引發安全事故。以100 A·h 礦用錳酸鋰離子蓄電池作為研究對象，對該電池進行針刺、高溫、潮濕試驗，分析電池的安全性能。通過針刺試驗模擬煤礦井下環境中潛在的機械沖擊，用尖銳物體刺入電池，觀察電池在極端條件下的反應。使用爐箱和濕度控制環境箱模擬煤礦井下的高溫和潮濕環境，對針刺后的電池實施試驗，評估電池在煤礦井下極端環境中的安全性和可靠性。試驗結果表明：① 電池被鎢針刺穿后，表面出現一定變形和破裂，但未出現電解質泄漏的情況，同時電池并未出現冒煙、起火、爆炸等危險情況，內部也沒有氣體產生。被鎢針刺穿后，電池溫度顯著上升，但能控制在安全范圍內且沒有引發燃燒或爆炸，說明該電池在煤礦井下應用中具有一定的熱穩定性。② 被刺穿電池在爐箱加熱后顯著膨脹，并伴隨有氣體泄漏的現象，但尚未引發爆炸或燃燒，說明電池在特定條件下具有一定的熱穩定性。③ 在潮濕環境下，被刺穿電池產生氣體，增加了內部壓力，在刺穿和潮濕的雙重影響下，使得電池溫度增加，但因為潮濕環境中的水分起到一定的冷卻作用，與高溫環境下相比，電池溫度上升趨勢較為緩慢，且仍未引發爆炸或燃燒，說明電池在潮濕環境下仍具有熱穩定性，不會出現熱失控現象。

關鍵詞：礦用錳酸鋰離子蓄電池；電池安全性試驗；機械沖擊；針刺試驗；高溫試驗；潮濕試驗

中圖分類號：TD679 文獻標志碼：A

0 引言

目前，煤礦開采技術不斷進步，其機械化程度不斷提高，對于礦用電源的安全性和可靠性要求也越來越高。鋰離子蓄電池作為一種新型的、高效的能源存儲設備，因其高能量密度、長壽命、無記憶效應等優點，在煤礦井下應用中展現出巨大的潛力[1-2]。然而，煤礦井下環境惡劣，機械設備運行頻繁，且空間狹小，使得電源容易遭受外部的物理沖擊或損害，造成起火或爆炸，導致煤礦安全事故發生。因此，有必要對模擬煤礦井下撞擊條件下的鋰離子蓄電池性能進行深入研究，旨在揭示電池在受到機械沖擊時的反應和潛在風險，為煤礦井下電源系統的安全設計提供科學依據。

許多學者對鋰離子蓄電池的應用安全問題展開了研究。姚源[3]針對鋰電池性能衰減引起的安全性能降低的問題，現場采集并分析了煤礦監測通信系統后備電源及輔助運輸設備動力電源管理使用數據和運行信息，開展了在用大容量鋰電池的容量衰減分析、電化學阻抗譜（Electrochemical ImpedanceSpectroscopy， EIS）分析、熱失控擴展與安全性試驗、擠壓試驗分析和電源管理系統精度試驗等比對試驗，試驗結果表明在用鋰電池電性能、電池管理系統檢測精度發生衰減，使用安全性下降。劉鵬等[4]根據鋰離子蓄電池組的工作原理，重點分析了鋰離子蓄電池組的壓差變化、自放電和日歷衰降等在軌運行數據。李富偉等[5]針對礦用鋰離子蓄電池動力電源的使用特點和安全需求，研究了其機械結構、熱效應控制、電氣特性、電池管理系統、電磁兼容等方面的安全技術。上述研究在進行煤礦井下鋰離子蓄電池應用安全分析時，均未考慮煤礦井下環境存在的各種潛在機械撞擊風險，而鋰離子蓄電池在受到外部機械沖擊時，可能會發生電池破碎或電解質泄漏現象。

錳酸鋰離子蓄電池是鋰離子蓄電池的一種，以成本低、安全性高而被廣泛使用，將其作為研究對象具有一定的代表性。本文以100 A·h 礦用錳酸鋰離子蓄電池作為研究對象，在實驗室模擬煤礦井下的潛在機械撞擊環境，進行針刺、高溫、潮濕試驗，以分析電池的安全性能。