鋰一次電池?zé)崾Э蒯尫艤囟群偷蛪涵h(huán)境相關(guān)性

張艷，雷虎，越云博，胡冉，季柳燕，胡華榮＊

（1.海軍裝備部駐上海地區(qū)第六軍事代表室，上海 201108；2.上海空間電源研究所，上海 201108）

本文為進(jìn)一步提升鋰一次電池的可靠性，現(xiàn)對(duì)鋰一次電池進(jìn)行熱失控反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，研究鋰一次電池?zé)崾Э蒯尫艤囟群偷蛪涵h(huán)境之間的相關(guān)性，為制定和完善鋰一次電池提供相應(yīng)的依據(jù)和參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用壓力動(dòng)態(tài)化調(diào)整的方式，將低氣壓環(huán)境的壓力設(shè)置為30kPa、60kPa和101kPa，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性和可靠性。對(duì)鋰一次電池進(jìn)行熱失控反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能化熱失控釋放溫度與低壓環(huán)境之間相關(guān)性和科學(xué)分析和研究。本實(shí)驗(yàn)所利用的系統(tǒng)主要為NI－cDAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將溫度采集頻率設(shè)置為10Hz。熱電偶型號(hào)為K型，熱電偶采用點(diǎn)狀焊接的方式，以提高鋰一次電池的反應(yīng)靈敏度。本實(shí)驗(yàn)所用電池型號(hào)為鋰一次電池，該電池的容量為2.6Ah，同時(shí)，將變壓艙內(nèi)的溫度設(shè)置為25℃。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 電池噴射出口環(huán)境溫度特性

當(dāng)環(huán)境壓力達(dá)到101kPa時(shí)，鋰一次電池所釋放的高溫主要有兩種來源途徑，一種是鋰一次電池內(nèi)部要反應(yīng)過于劇烈所致的高溫能量；另一種是鋰一次電池內(nèi)部含有大量可燃性氣體，這些氣體與空氣混合后，發(fā)生二次燃燒反應(yīng)，故釋放了大量的高溫能量。

當(dāng)環(huán)境壓力達(dá)到60kPa時(shí)，鋰一次電池?zé)崾Э胤磻?yīng)溫度變化曲線與熱失控反應(yīng)后釋放溫度變化曲線如圖1所示：鋰一次電池在整個(gè)熱失控反應(yīng)中，出現(xiàn)了5個(gè)高溫峰值，這說明，隨著環(huán)境壓力值的不斷降低，鋰一次電池所釋放溫度不斷降低，同時(shí)，環(huán)境中的氧濃度也呈現(xiàn)出不斷下降趨勢(shì)。在30kPa壓力環(huán)境下，鋰一次電池溫度變化曲線與鋰一次電池?zé)崾Э胤磻?yīng)后所釋放的溫度變化曲線見圖1。當(dāng)環(huán)境壓力達(dá)到101kPa時(shí)，電池噴射出口在進(jìn)行實(shí)際的檢測(cè)中，共經(jīng)歷了5個(gè)溫度高峰值，當(dāng)鋰一次電池內(nèi)部溫度不斷上升時(shí)，峰值寬度不斷加寬，同時(shí)，高溫持續(xù)時(shí)間不斷延長(zhǎng)。因此，當(dāng)環(huán)境壓力達(dá)到30kPa時(shí)，鋰一次電池所釋放的溫度峰值數(shù)量不斷降低。此外，與60kPa壓力環(huán)境相比，30kPa壓力環(huán)境所對(duì)應(yīng)的峰值寬度相對(duì)較窄，因此，在該壓力環(huán)境下，所釋放的高溫危險(xiǎn)性也相對(duì)較低，所以，鋰一次電池?zé)崾Э蒯尫艤囟扰c低壓環(huán)境之間存在一定的正相關(guān)關(guān)系。

圖1 60kPa環(huán)境下電池溫度與噴射出口釋放溫度

2.2 電池噴射出口熱失控釋放高溫分布統(tǒng)計(jì)

在以上三種不同壓力環(huán)境下，通過對(duì)鋰一次電池進(jìn)行熱失控實(shí)驗(yàn)，并去除兩次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，從而得到如圖2所示的鋰一次電池?zé)崾Э蒯尫艤囟确植肌膱D中可以看出：隨著環(huán)境壓力值的不斷降低，鋰一次電池?zé)崾Э蒯尫艤囟瘸尸F(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì)，同時(shí)，所釋放的溫度危險(xiǎn)性也逐漸下降，這說明鋰一次電池?zé)崾Э蒯尫艤囟扰c低壓環(huán)境之間存在正相關(guān)關(guān)系。

圖2 3種壓力環(huán)境下鋰一次電池?zé)崾Э蒯尫艤囟确植?/p>

2.3 熱釋放速率

為了提高對(duì)鋰一次電池?zé)崾Э蒯尫艤囟瓤刂菩屎托Ч丝刂频蛪涵h(huán)境外，還要重視對(duì)熱釋放速率的控制，通過采用變溫方式，借助熱量釋放測(cè)試平臺(tái)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在30kPa、60kPa和101kPa三種不同壓力環(huán)境下，本實(shí)驗(yàn)所獲得和整理熱失控釋放速率相關(guān)信息數(shù)據(jù)，為后期更好地優(yōu)化實(shí)驗(yàn)操作流程提供相應(yīng)的依據(jù)和參考。在101kPa壓力環(huán)境下，鋰一次電池所釋放的溫度高峰值為8.8kW；在60kPa壓力環(huán)境下，鋰一次電池所釋放的溫度高峰值為5.8kW；在30kPa壓力環(huán)境下，鋰一次電池所釋放的溫度高峰值為2.5kW，由此可見，當(dāng)環(huán)境壓力值不斷下降時(shí)，鋰一次電池所釋放的溫度高峰值呈現(xiàn)出不斷下降趨勢(shì)，同時(shí)，鋰一次電池內(nèi)部燃燒強(qiáng)度也呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì)，因此，在進(jìn)行鋰一次電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)的過程中，一旦鋰一次電池內(nèi)部反應(yīng)過于劇烈，勢(shì)必會(huì)增大相關(guān)環(huán)境噴射的熱量，當(dāng)鋰一次電池所釋放的可燃性氣體與空氣充分混合后，會(huì)出現(xiàn)二次燃燒，從而提高了鋰一次電池?zé)崾Э蒯尫艤囟取?/p>

3 結(jié)論

通過以上實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：1）當(dāng)環(huán)境壓力達(dá)到60kPa時(shí)，鋰一次電池最高溫度持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，同時(shí)，釋放的高溫危險(xiǎn)性較低，這些高溫?zé)崃恐饕袃煞N來源途徑，一種是鋰一次電池內(nèi)部材料反應(yīng)后所釋放的能量；另一種是鋰一次電池內(nèi)部釋放的可燃性物質(zhì)與空氣接觸反應(yīng)后所釋放的熱量。2）當(dāng)環(huán)境壓力達(dá)到30kPa時(shí)，鋰一次電池?zé)嶙罡邷囟瘸掷m(xù)時(shí)間不斷縮短，同時(shí)，釋放的高溫危險(xiǎn)性最低，這些高溫?zé)崃咳縼碓从阡囈淮坞姵貎?nèi)部材料反應(yīng)后所釋放的能量。3）隨著環(huán)境壓力值的不斷減小，鋰一次電池最高溫度持續(xù)時(shí)間呈現(xiàn)出不斷下降趨勢(shì)，當(dāng)鋰一次電池?zé)崾Э蒯尫诺哪芰窟_(dá)到一定值時(shí)，鋰一次電池表面溫度將會(huì)上升到900℃以上，因此，鋰一次電池?zé)崾Э蒯尫艤囟扰c低壓環(huán)境之間存在正相關(guān)關(guān)系。