基于鋰電池環境試驗設備的安全性試驗研究

鄭昆，林文表，馬軍，丁勝，樊文琪,2

（1.廣州五所環境儀器有限公司，廣州 511370； 2.工業和信息化部電子第五研究所，廣州 511370）

引言

隨著新能源鋰電池產業的快速發展和廣泛應用，鋰電池的安全性始終是行業內研究重點。當鋰電池出現異常進而發生燃燒或爆炸等反應時，其火勢迅速、短時間內向外釋放較大壓力，因而可導致周邊設施設備毀損、人身傷亡等重大安全事故的發生[1-3]。鋰電池進行高溫、濕熱等氣候環境試驗時，為預防鋰電池在試驗箱內發生燃燒、爆炸等情況對試驗設施及人員造成損毀和傷害，應將鋰電池在具有防爆泄壓功能的試驗設備中開展試驗。而在研制鋰電池環境試驗設備時需考慮受限空間內鋰電池的安全特性設計并驗證其防爆泄壓等技術性能指標。

1 鋰電池安全特性

鋰電池在高溫、過充、外部短路等情況時，電池內部溫度短時間異常升高，升高的溫度向周邊進一步擴散，進而電池內部發生劇烈化學反應，進一步升高電池內部溫度，因而化學反應生成的大量熱量、氣體積聚到一定程度時可使電池發生燃燒、爆炸[4-6]。鋰電池燃爆分析見圖1所示。

圖1 鋰電池燃爆分析

鋰電池發生的燃燒主要為無氧燃燒，且溫度越高，電池內部化學反應越劇烈，其產生O2、C2H4、CO、H2、CO2等氣體，燃燒時電池表面溫度可達（800～1 500）℃，使用以窒息為原理的滅火劑對鋰電池發生的燃燒效果不明顯[7-8]。但可通過對試驗設備配備電池溫度監測預警模塊及能使電池迅速降溫的滅火裝置，當電池溫度監測預警模塊檢測到電池溫度異常升高時，應向設備控制系統發出預警，當溫度持續升高至預設溫度時，則滅火裝置應啟動，向電池噴射降溫滅火劑，使電池快速降溫，達到阻止鋰電池內部化學進一步反應，進而可達到抑制電池燃燒的目的。

鋰電池燃爆過程中的沖擊力與其所具備的能量成正比，與其所在的試驗空間體積成反比，相同能量的鋰電池在越大的試驗空間體積所產生的沖擊力越小[9-11]。因而在研制鋰電池環境試驗設備時應盡量選用大容積的試驗設備，同時其應配備壓力釋放裝置，當鋰電池發生爆炸時，應能通過壓力釋放裝置釋放出電池產生的沖擊力，進而達到保護試驗設備的目的。

圖2 鋰電池環境試驗設備

2 鋰電池環境試驗設備

結合鋰電池安全特性，研制了帶以快速降溫為原理的滅火裝置、電池溫度監測預警模塊、壓力釋放裝置的鋰電池環境試驗設備，具備泄壓、有害氣體監測、強制排風、滅火、箱體防護、觀察窗防護、箱門防護等安全防護功能，可用于鋰電池試驗或其它有泄壓需求的樣品試驗，能夠完成GB 38031-2020、GB/T 31467.1-2015、GB/T 31467.2-2015、GB/T 31484-2015、GB/T 31486-2015等鋰電池相關標準所要求的溫度試驗、濕度試驗。

3 安全性試驗設計

為驗證鋰電池環境試驗設備安全防護功能，需對試驗設備的安全性進行試驗測試，分別設計并開展了壓力釋放裝置動作測試（緩慢加壓試驗）、壓力釋放裝置動作測試（壓力快速釋放試驗）、電池爆炸試驗、泄壓口密封性能、滅火裝置滅火試驗、電池溫度監測試驗等，具體安全性試驗方法及結果判定如表1所示。

表1 安全性試驗方法及結果判定

4 結論

本文結合鋰電池燃燒爆炸特性對鋰電池環境試驗設備設計了壓力釋放裝置動作測試、滅火裝置滅火、電池爆炸試驗等多項安全性試驗方法及結果判定，通過對廣州五所環境儀器有限公司已成功研制的鋰電池環境試驗設備（泄壓防護型快速溫度變化濕熱試驗箱）進行安全性試驗，驗證了本方法的可行性。該方法可對鋰電池環境試驗設備等防爆泄壓型設備的研發測試提供參考。