鋰離子電池組件燃燒性及危險性評價

王蘭 程樹國

河南華瑞高新材料有限公司 河南新鄉 453000

鋰離子電池作為汽車領域、電能領域的重要能量形式，在某些層面上會給電動汽車、電網儲能提供源源不斷的電力支持。但是需要注意的是，一旦鋰離子電池出現燃燒或者爆炸等不良反應，火勢會瞬時迅猛且難以撲滅。燃燒過程所產生的大量煙霧會對人體呼吸道等重要部位產生直接刺激，如果不加以及時整治，勢必會對人身安全造成極大危害。根據當前研究情況來看，研究人員針對鋰離子電池安全性研究問題只局限于火災誘發因素、安全檢測等方面。對于鋰離子電池火災發生后的問題及作用機理，尚未進行針對性研究，亟待解決。

1 試驗準備部分

1.1 研究對象

目前，國內鋰離子電池多以磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池以及三元電池為主要表現形式，經常用于動力電池、儲能電池當中。針對于此，本文主要以上述3種鋰離子電池為研究對象。首先，將電池處于充滿狀態。其次，靜置12h后，利用充滿氬氣的手套箱整理上述鋰離子電池，如解剖，取出正極片、負極片、隔膜等攜帶電解液的組件[1]。

1.2 測試準備

關于測試準備工作，本文主要以錐形量熱儀為主要測試設備。測試環境溫度控制在23℃左右、濕度控制在45%左右。取出試驗樣品水平放置在保護裝置上，在這里建議最好優先選用不銹鋼絲保護。究其原因，主要是因為防止樣品出現變形等問題。在樣品試驗次數方面，建議試驗人員應該反復進行多次試驗后，再確定試驗結果。需要注意的是，關于試驗數據最好利用錐形量熱儀進行采集與分析。

2 電池組件熱參數分析

根據試驗分析結果來看，磷酸鐵鋰電池組件、錳酸鋰電池組件以及三元電池組件在引燃之后，在某個瞬間都可以達到一個峰值。達到峰值點之后，3種電池組件分別出現了不同程度的熱釋放速率下降現象。究其原因，主要是因為不同性質的電池組件在燃燒性特質方面存在較大差異[2]。造成這種差異現象的根本原因在于燃燒性特質差異以及組件材料本身可燃程度差異、電池組件配方等。從客觀角度上來看，鋰離子電池主要以液態有機物作為溶劑，如碳酸二甲酯酯、碳酸乙烯酯等。上述液態有機物溶劑具備易燃性，在輻射條件下電池組件會釋放出大量氣態揮發物。

需要注意的是，當氣相中可燃物濃度達到臨界數值之后，樣品會在臨界條件下迅速燃燒，此時，鋰離子電池各組件的熱釋放速率會急劇升高，待耗盡之后，熱釋放速率會發生大幅度下降反應。此后，固相可燃物將會發生燃燒反應。根據反復實踐證明，磷酸鐵鋰電池組件、錳酸鋰電池組件以及三元電池組件在引燃之后，石墨負極是最先被點燃的部分，其次是正極、隔膜等組件。因此可以說明，石墨負極是最容易被點燃的部分。另外，在相同輻射強度作用下，石墨負極所產生的熱釋放強度也是組件成分中最高的。足以見得，鋰離子電池中的石墨負極是整個組件體系最容易著火的部分，同時也是熱釋放強度最高的部分。

3 鋰離子電池組件燃燒性及危險性評價

3.1 燃燒性能差異

磷酸鐵鋰電池組件、錳酸鋰電池組件以及三元電池組件都是以石墨材料作為負極，在電解液的選擇方面也多以碳酸酯類為主。區別之處在于正極材料存在不同，且電解液添加劑也有所不同。根據上述試驗過程可知，3種鋰離子電池在錐形量熱儀測試結果方面存在一定差異。

究其原因，主要是因為電池材料燃燒與受熱分解過程存在差異性，或者是電解液成分，如溶劑組分、添加劑種類等存在不同。最重要的是，3種鋰離子電池在隔膜、負極成分方面存在一定差異，導致鋰離子電池組件燃燒性能存在不同程度的差異情況[3]。

3.2 AHP法電池火災危險評價機制

一般來說，火災危險主要集中以熱危險與煙氣危險為主。其中，熱危險集中以放熱危險、火勢增長危險為主；煙氣危險集中以發煙危險、煙氣毒害風險為主。結合AHP法火災風險評價機制可知，電池組件燃燒參數會根據性質不同或者其他特征不同，劃分為易燃性、釋熱性等種類。在具體試驗過程中，我們需要根據上述表征特點，針對參數問題進行合理劃分，構建鋰離子電池火災危險性評價機制或者相關體系。

電池組件的火災危險性指數在某些層面上綜合電池組件特性，如燃燒熱危險、煙氣危險等因素，通過綜合比較得出不同組件火災危險性程度，并按照定量分析方式確定火災危險性程度。根據AHP法的分析可知，磷酸鐵鋰電池組件、錳酸鋰電池組件以及三元電池組件在引燃之后，石墨負極是最先被點燃的部分，其次是正極、隔膜等組件。需要注意的是，磷酸鐵鋰正極火災危險性程度明顯大于石墨負極，究其原因，主要是因為磷酸鐵鋰正極生煙性強度明顯高于石墨負極。

4 結語

從易燃性與釋熱性角度上來看，鋰離子電池中的石墨負極是整個組件體系最容易著火的部分，同時也是熱釋放強度最高的部分，其次是隔膜、正極。從生煙性特質上來看，隔膜的不完全燃燒往往是造成鋰離子電池燃燒過程產生大量煙氣的主要原因，再加上受到電極材料燃燒與熱分解的作用機理，電池組件火災危險性程度會更高。結合AHP法進行計算與分析可知，三類鋰離子電池體系中的隔膜組件是造成火災風險問題的主要因素。究其原因，主要是因為隔膜熱釋放速率較高，且一氧化碳、二氧化碳等含量濃度較高。針對于此，建議研究人員應該將防范重點放在上述組件位置當中，盡可能地規避火災風險問題。