低壓環(huán)境對(duì)鋰電池?zé)崾Э蒯尫艤囟鹊挠绊?/h1>
2020-01-15 23:19:27馮碩
化工設(shè)計(jì)通訊 2020年4期 關(guān)鍵詞：環(huán)境
馮 碩
（河南醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校，河南鄭州 450000）
鋰電池為人們生活帶來便捷的同時(shí)，其安全性也受到了大家的關(guān)注。電解液劇烈燃燒會(huì)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(yīng)容易造成危險(xiǎn)事件，其高溫特性是火災(zāi)危險(xiǎn)的重要和基礎(chǔ)參數(shù)。因此，有必要探究低壓環(huán)境對(duì)于鋰電池?zé)崾Э蒯尫艤囟鹊挠绊懀档推涫褂梦ｋU(xiǎn)性。
1 鋰電池?zé)崾Э馗攀?/h2>
鋰電池?zé)崾Э剡^程包含初爆與燃爆兩種形式，其中初爆階段鋰電池的內(nèi)部溫度會(huì)提升，若壓力增大會(huì)破開鋰電池的泄壓口同時(shí)持續(xù)釋放煙霧；燃爆過程中鋰電池會(huì)出現(xiàn)劇烈噴射問題，從電池的正極位置噴射大量的發(fā)光高溫物質(zhì)，同時(shí)進(jìn)行二次燃燒。低壓環(huán)境中鋰電池?zé)崾Э氐某醣^程煙霧的釋放時(shí)間很長，在噴射完成后不會(huì)燃燒，噴射物的亮度也會(huì)下降。本課題在30kPa、60kPa、101kPa 的多種壓力環(huán)境中對(duì)多節(jié)鋰電池進(jìn)行熱失控反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，研究壓力對(duì)于電池正極熱失控釋放的溫度的影響。
2 低壓環(huán)境對(duì)鋰電池?zé)崾Э蒯尫艤囟鹊挠绊?/h2>2.1 低壓環(huán)境對(duì)于鋰離子電池池體溫度的影響
鋰電池?zé)崾Э厝急^程中，當(dāng)電池的荷電量不同時(shí)，環(huán)境壓力下降會(huì)導(dǎo)致鋰電池的池體響應(yīng)溫度提升。因此壓力越大，鋰電池的燃爆幾率越大。同時(shí)，鋰電池池體的燃燒溫度也會(huì)伴隨著荷電量的提升而減少，此過程不會(huì)受壓力環(huán)境的影響而變化。當(dāng)荷電量在100%、50%、0%時(shí)，鋰電池的池體最高溫度會(huì)伴隨著壓力的提升而增加，壓力越小則鋰電池的燃爆危險(xiǎn)性越低。此外，不同壓力中鋰電池的池體最高溫度會(huì)隨著荷電量的提升而增加。
2.2 低壓環(huán)境對(duì)于鋰離子電池噴射口溫度的影響
熱失控反應(yīng)中在電池的正端噴射出口溫度是熱失控反應(yīng)釋放的溫度，熱失控釋放的能量來源主要包含以下內(nèi)容：其一，熱失控產(chǎn)生的可燃、易燃物質(zhì)會(huì)在多種壓力環(huán)境中發(fā)生二次燃燒反應(yīng)所釋放的能量。其二，鋰電池內(nèi)部熱失控反應(yīng)釋放的高溫物質(zhì)和能量。通過在30kPa、60kPa、101kPa 多種壓力環(huán)境中進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，能夠發(fā)現(xiàn)低壓環(huán)境對(duì)鋰電池?zé)崾Э匦纬傻沫h(huán)境溫度會(huì)產(chǎn)生多種影響，具體分為以下幾方面：
（1）30kPa 壓力環(huán)境
30kPa 的低壓環(huán)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(gè)峰值：1～4個(gè)高溫峰值集中在7節(jié)電池的熱失控反應(yīng)期間；峰值1和2發(fā)生在第一次和第二次熱失控反應(yīng)過程中，峰值的寬度窄并且高溫所持續(xù)的時(shí)間短；峰值3與4一部分出現(xiàn)在第3～7次的鋰電池?zé)崾Э胤磻?yīng)階段，其中峰值3的溫度較低，而峰值4則發(fā)生于鋰離子電池的熱失控反應(yīng)完成時(shí)期，峰值4的溫度與5接近，溫度較高；峰值5出現(xiàn)在熱失控的全反應(yīng)完成后，此時(shí)鋰離子的噴射殘余可燃物和電池外皮正進(jìn)行燃燒，因此釋放的溫度較高且峰值的寬度較大，高溫持續(xù)時(shí)間較長[1]。
因此，30kPa 的低壓環(huán)境中鋰電池的熱失控階段所釋放的溫度峰值數(shù)量較少，其中高溫峰值寬度、峰值數(shù)量相較于60kPa 的環(huán)境低，因此電池?zé)崾Э氐母邷匚ｋU(xiǎn)性低于60kPa 的壓力環(huán)境。此外，30kPa 的低壓環(huán)境中氧濃度較低，能夠在一定程度上對(duì)鋰離子電池的內(nèi)部劇烈熱失控反應(yīng)進(jìn)行抑制，使熱失控反應(yīng)所產(chǎn)生的有機(jī)氣體可燃物質(zhì)在低壓環(huán)境中很難進(jìn)行二次燃燒反應(yīng)，由此發(fā)現(xiàn)30kPa 中鋰離子電池內(nèi)部材料進(jìn)行熱失控放熱反應(yīng)是低壓環(huán)境產(chǎn)生高溫?zé)崃康脑颉?/p>
（2）60kPa 壓力環(huán)境
電池?zé)崾Э胤磻?yīng)通過噴射光亮、高溫物質(zhì)形成燃爆過程，進(jìn)而產(chǎn)生高溫峰值[2]。壓力環(huán)境為60kPa 時(shí)，鋰離子電池存在7次熱失控反應(yīng)，通過對(duì)鋰電池噴射口環(huán)境溫度進(jìn)行探測發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)出現(xiàn)5個(gè)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(yīng)中。鋰離子高溫峰值5出現(xiàn)在7節(jié)電池?zé)崾Э胤磻?yīng)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(yīng)進(jìn)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(huán)境，在60kPa 的環(huán)境中產(chǎn)生了7次熱失控反應(yīng)；鋰離子電池噴射口的溫度峰值是4個(gè)，分析得出在低壓中熱失控反應(yīng)所噴射的燃爆物質(zhì)對(duì)于高溫影響較低，若峰值高于600℃則寬度會(huì)變窄。因此60kPa 的低壓環(huán)境中熱失控反應(yīng)所產(chǎn)生的持續(xù)高溫時(shí)間被縮短。同時(shí)，60kPa 的壓力環(huán)境中熱失控的高溫釋放反應(yīng)相較于常壓條件安全性要高，因此該環(huán)境與常壓環(huán)境相比氧濃度較低。高溫釋放熱量主要通過電池內(nèi)部材料的熱反應(yīng)進(jìn)而釋放能量，另外一部分源于電池內(nèi)部通過熱失控反應(yīng)產(chǎn)生可燃?xì)怏w。
（3）101kPa 壓力環(huán)境
101kPa 的壓力環(huán)境也就是常壓條件，一定條件下電池依次會(huì)發(fā)生熱失控反應(yīng)，鋰離子電池在低壓環(huán)境中一共發(fā)生了7次劇烈的電池?zé)崾Э胤磻?yīng)。在電池反應(yīng)中會(huì)在其正上方約30mm 的位置捕捉高溫反應(yīng)峰值，而劇烈的噴射燃燒反應(yīng)出現(xiàn)的環(huán)境高溫峰值大體均勻地分布于1～7次的熱失控反應(yīng)范圍中，全部高溫峰值溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于600℃，最低溫度約為800℃，最高溫度能夠達(dá)到1 100℃。同時(shí)，101kPa中鋰離子熱反應(yīng)釋放高溫的峰值寬度大，因此釋放溫度所持續(xù)的時(shí)間較長。101kPa環(huán)境中7次熱失控反應(yīng)均會(huì)釋放高溫能量，并對(duì)周邊環(huán)境形成持續(xù)的高溫影響。此外，常壓101kPa的環(huán)境中鋰電池?zé)崾Э胤磻?yīng)所釋放的高溫來源包含以下要素：鋰離子電池的內(nèi)部發(fā)生劇烈的熱反應(yīng)進(jìn)而釋放能量；鋰電池內(nèi)部通過反應(yīng)形成易燃?xì)怏w，并在常壓環(huán)境中進(jìn)行二次燃燒反應(yīng)，進(jìn)而釋放熱量。
2.3 低壓對(duì)鋰電池?zé)崾Э胤磻?yīng)的影響機(jī)理
針對(duì)低壓環(huán)境中鋰電池?zé)崾Э胤磻?yīng)發(fā)生的燃爆噴射現(xiàn)象，通過分析熱失控反應(yīng)可以得出以下機(jī)理：低壓環(huán)境中壓力和氧含量下降的條件下，鋰電池?zé)崾Э胤磻?yīng)明顯。由于鋰電池屬于封閉系統(tǒng)，若壓力減少，會(huì)導(dǎo)致鋰電池外部溫度升高，內(nèi)外壓力差增加，內(nèi)部的氣體會(huì)沖出電池泄壓口，進(jìn)而釋放內(nèi)部壓力。因此，低壓環(huán)境中鋰電池噴射過程的能量積累時(shí)間較長，同時(shí)在噴射前期電池?zé)崾Э蒯尫艧熿F的時(shí)間也會(huì)拉長[3]。
低壓環(huán)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(huì)存在較多的暗黑色物質(zhì)，這些是噴射物不充分燃燒的顆粒物，會(huì)大大降低噴射物燃燒的亮度。低壓環(huán)境中氧含量的下降會(huì)提升點(diǎn)火初級(jí)階段所需要的能量值。不過電池噴射物的燃燒反應(yīng)不完全，因此最高溫度會(huì)略低于常壓條件，在點(diǎn)燃后電池噴射氣體的可能性會(huì)下降，因此在低壓條件下一般不會(huì)產(chǎn)生第二次的燃燒情況。由于低壓條件下煙霧釋放的時(shí)間拉長，會(huì)增加電池池體的加熱時(shí)間，導(dǎo)致鋰電池池體燃爆階段的對(duì)應(yīng)溫度提升。氧氣濃度下降，電池會(huì)發(fā)生不充分化學(xué)反應(yīng)，因此煙霧在釋放過程中會(huì)減少一部分熱量，鋰電池的最高溫度會(huì)小于常壓條件中電池池體的溫度，電池噴射口溫度也會(huì)低于常壓條件下的溫度。
環(huán)境壓力的降低使電池?zé)崾Э蒯尫艤囟鹊母邷貙挾取⒎逯禂?shù)量、持續(xù)時(shí)間均逐漸降低，同時(shí)低壓環(huán)境中較低的氧濃度會(huì)對(duì)熱失控釋放氣體的燃燒反應(yīng)構(gòu)成限制，因此低壓環(huán)境中鋰電池釋放溫度一般為電池內(nèi)部材料熱失控反應(yīng)產(chǎn)生的能量，而熱失控所釋放能量會(huì)使電池體外溫度達(dá)到900℃，存在電池間的能量傳遞。
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1 鋰電池?zé)崾Э馗攀?/h2>
鋰電池?zé)崾Э剡^程包含初爆與燃爆兩種形式，其中初爆階段鋰電池的內(nèi)部溫度會(huì)提升，若壓力增大會(huì)破開鋰電池的泄壓口同時(shí)持續(xù)釋放煙霧；燃爆過程中鋰電池會(huì)出現(xiàn)劇烈噴射問題，從電池的正極位置噴射大量的發(fā)光高溫物質(zhì)，同時(shí)進(jìn)行二次燃燒。低壓環(huán)境中鋰電池?zé)崾Э氐某醣^程煙霧的釋放時(shí)間很長，在噴射完成后不會(huì)燃燒，噴射物的亮度也會(huì)下降。本課題在30kPa、60kPa、101kPa 的多種壓力環(huán)境中對(duì)多節(jié)鋰電池進(jìn)行熱失控反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，研究壓力對(duì)于電池正極熱失控釋放的溫度的影響。
2 低壓環(huán)境對(duì)鋰電池?zé)崾Э蒯尫艤囟鹊挠绊?/h2>2.1 低壓環(huán)境對(duì)于鋰離子電池池體溫度的影響
鋰電池?zé)崾Э厝急^程中，當(dāng)電池的荷電量不同時(shí)，環(huán)境壓力下降會(huì)導(dǎo)致鋰電池的池體響應(yīng)溫度提升。因此壓力越大，鋰電池的燃爆幾率越大。同時(shí)，鋰電池池體的燃燒溫度也會(huì)伴隨著荷電量的提升而減少，此過程不會(huì)受壓力環(huán)境的影響而變化。當(dāng)荷電量在100%、50%、0%時(shí)，鋰電池的池體最高溫度會(huì)伴隨著壓力的提升而增加，壓力越小則鋰電池的燃爆危險(xiǎn)性越低。此外，不同壓力中鋰電池的池體最高溫度會(huì)隨著荷電量的提升而增加。
2.2 低壓環(huán)境對(duì)于鋰離子電池噴射口溫度的影響
熱失控反應(yīng)中在電池的正端噴射出口溫度是熱失控反應(yīng)釋放的溫度，熱失控釋放的能量來源主要包含以下內(nèi)容：其一，熱失控產(chǎn)生的可燃、易燃物質(zhì)會(huì)在多種壓力環(huán)境中發(fā)生二次燃燒反應(yīng)所釋放的能量。其二，鋰電池內(nèi)部熱失控反應(yīng)釋放的高溫物質(zhì)和能量。通過在30kPa、60kPa、101kPa 多種壓力環(huán)境中進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，能夠發(fā)現(xiàn)低壓環(huán)境對(duì)鋰電池?zé)崾Э匦纬傻沫h(huán)境溫度會(huì)產(chǎn)生多種影響，具體分為以下幾方面：
（1）30kPa 壓力環(huán)境
30kPa 的低壓環(huán)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(gè)峰值：1～4個(gè)高溫峰值集中在7節(jié)電池的熱失控反應(yīng)期間；峰值1和2發(fā)生在第一次和第二次熱失控反應(yīng)過程中，峰值的寬度窄并且高溫所持續(xù)的時(shí)間短；峰值3與4一部分出現(xiàn)在第3～7次的鋰電池?zé)崾Э胤磻?yīng)階段，其中峰值3的溫度較低，而峰值4則發(fā)生于鋰離子電池的熱失控反應(yīng)完成時(shí)期，峰值4的溫度與5接近，溫度較高；峰值5出現(xiàn)在熱失控的全反應(yīng)完成后，此時(shí)鋰離子的噴射殘余可燃物和電池外皮正進(jìn)行燃燒，因此釋放的溫度較高且峰值的寬度較大，高溫持續(xù)時(shí)間較長[1]。
因此，30kPa 的低壓環(huán)境中鋰電池的熱失控階段所釋放的溫度峰值數(shù)量較少，其中高溫峰值寬度、峰值數(shù)量相較于60kPa 的環(huán)境低，因此電池?zé)崾Э氐母邷匚ｋU(xiǎn)性低于60kPa 的壓力環(huán)境。此外，30kPa 的低壓環(huán)境中氧濃度較低，能夠在一定程度上對(duì)鋰離子電池的內(nèi)部劇烈熱失控反應(yīng)進(jìn)行抑制，使熱失控反應(yīng)所產(chǎn)生的有機(jī)氣體可燃物質(zhì)在低壓環(huán)境中很難進(jìn)行二次燃燒反應(yīng)，由此發(fā)現(xiàn)30kPa 中鋰離子電池內(nèi)部材料進(jìn)行熱失控放熱反應(yīng)是低壓環(huán)境產(chǎn)生高溫?zé)崃康脑颉?/p>
（2）60kPa 壓力環(huán)境
電池?zé)崾Э胤磻?yīng)通過噴射光亮、高溫物質(zhì)形成燃爆過程，進(jìn)而產(chǎn)生高溫峰值[2]。壓力環(huán)境為60kPa 時(shí)，鋰離子電池存在7次熱失控反應(yīng)，通過對(duì)鋰電池噴射口環(huán)境溫度進(jìn)行探測發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)出現(xiàn)5個(gè)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(yīng)中。鋰離子高溫峰值5出現(xiàn)在7節(jié)電池?zé)崾Э胤磻?yīng)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(yīng)進(jìn)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(huán)境，在60kPa 的環(huán)境中產(chǎn)生了7次熱失控反應(yīng)；鋰離子電池噴射口的溫度峰值是4個(gè)，分析得出在低壓中熱失控反應(yīng)所噴射的燃爆物質(zhì)對(duì)于高溫影響較低，若峰值高于600℃則寬度會(huì)變窄。因此60kPa 的低壓環(huán)境中熱失控反應(yīng)所產(chǎn)生的持續(xù)高溫時(shí)間被縮短。同時(shí)，60kPa 的壓力環(huán)境中熱失控的高溫釋放反應(yīng)相較于常壓條件安全性要高，因此該環(huán)境與常壓環(huán)境相比氧濃度較低。高溫釋放熱量主要通過電池內(nèi)部材料的熱反應(yīng)進(jìn)而釋放能量，另外一部分源于電池內(nèi)部通過熱失控反應(yīng)產(chǎn)生可燃?xì)怏w。
（3）101kPa 壓力環(huán)境
101kPa 的壓力環(huán)境也就是常壓條件，一定條件下電池依次會(huì)發(fā)生熱失控反應(yīng)，鋰離子電池在低壓環(huán)境中一共發(fā)生了7次劇烈的電池?zé)崾Э胤磻?yīng)。在電池反應(yīng)中會(huì)在其正上方約30mm 的位置捕捉高溫反應(yīng)峰值，而劇烈的噴射燃燒反應(yīng)出現(xiàn)的環(huán)境高溫峰值大體均勻地分布于1～7次的熱失控反應(yīng)范圍中，全部高溫峰值溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于600℃，最低溫度約為800℃，最高溫度能夠達(dá)到1 100℃。同時(shí)，101kPa中鋰離子熱反應(yīng)釋放高溫的峰值寬度大，因此釋放溫度所持續(xù)的時(shí)間較長。101kPa環(huán)境中7次熱失控反應(yīng)均會(huì)釋放高溫能量，并對(duì)周邊環(huán)境形成持續(xù)的高溫影響。此外，常壓101kPa的環(huán)境中鋰電池?zé)崾Э胤磻?yīng)所釋放的高溫來源包含以下要素：鋰離子電池的內(nèi)部發(fā)生劇烈的熱反應(yīng)進(jìn)而釋放能量；鋰電池內(nèi)部通過反應(yīng)形成易燃?xì)怏w，并在常壓環(huán)境中進(jìn)行二次燃燒反應(yīng)，進(jìn)而釋放熱量。
2.3 低壓對(duì)鋰電池?zé)崾Э胤磻?yīng)的影響機(jī)理
針對(duì)低壓環(huán)境中鋰電池?zé)崾Э胤磻?yīng)發(fā)生的燃爆噴射現(xiàn)象，通過分析熱失控反應(yīng)可以得出以下機(jī)理：低壓環(huán)境中壓力和氧含量下降的條件下，鋰電池?zé)崾Э胤磻?yīng)明顯。由于鋰電池屬于封閉系統(tǒng)，若壓力減少，會(huì)導(dǎo)致鋰電池外部溫度升高，內(nèi)外壓力差增加，內(nèi)部的氣體會(huì)沖出電池泄壓口，進(jìn)而釋放內(nèi)部壓力。因此，低壓環(huán)境中鋰電池噴射過程的能量積累時(shí)間較長，同時(shí)在噴射前期電池?zé)崾Э蒯尫艧熿F的時(shí)間也會(huì)拉長[3]。
低壓環(huán)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(huì)存在較多的暗黑色物質(zhì)，這些是噴射物不充分燃燒的顆粒物，會(huì)大大降低噴射物燃燒的亮度。低壓環(huán)境中氧含量的下降會(huì)提升點(diǎn)火初級(jí)階段所需要的能量值。不過電池噴射物的燃燒反應(yīng)不完全，因此最高溫度會(huì)略低于常壓條件，在點(diǎn)燃后電池噴射氣體的可能性會(huì)下降，因此在低壓條件下一般不會(huì)產(chǎn)生第二次的燃燒情況。由于低壓條件下煙霧釋放的時(shí)間拉長，會(huì)增加電池池體的加熱時(shí)間，導(dǎo)致鋰電池池體燃爆階段的對(duì)應(yīng)溫度提升。氧氣濃度下降，電池會(huì)發(fā)生不充分化學(xué)反應(yīng)，因此煙霧在釋放過程中會(huì)減少一部分熱量，鋰電池的最高溫度會(huì)小于常壓條件中電池池體的溫度，電池噴射口溫度也會(huì)低于常壓條件下的溫度。
環(huán)境壓力的降低使電池?zé)崾Э蒯尫艤囟鹊母邷貙挾取⒎逯禂?shù)量、持續(xù)時(shí)間均逐漸降低，同時(shí)低壓環(huán)境中較低的氧濃度會(huì)對(duì)熱失控釋放氣體的燃燒反應(yīng)構(gòu)成限制，因此低壓環(huán)境中鋰電池釋放溫度一般為電池內(nèi)部材料熱失控反應(yīng)產(chǎn)生的能量，而熱失控所釋放能量會(huì)使電池體外溫度達(dá)到900℃，存在電池間的能量傳遞。
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