基于全尺度火災試驗的鈦酸鋰電池熱災害動力學研究

摘要：在航空業對環保和能源效率要求不斷提升的背景下，電動加油車的應用成為一種必然的發展趨勢。然而，鈦酸鋰電池電濫用可能引發電池熱失控，給機場安全造成嚴重威脅。基于全尺度火災試驗，通過對單體電池和多孔模組的過充測試，分析了不同充電倍率下電池單體的熱失控行為，以及多孔結構電池模組熱失控的蔓延規律。試驗結果表明，使用0.4C過充電池單體4h后會發生熱失控。實驗過程中，電池模組的熱失控現象較為劇烈，多孔結構模組能夠有效抑制熱失控的蔓延。為鈦酸鋰電池在電動式加油車中的應用提供實驗支持。

關鍵詞：電濫用；鈦酸鋰電池；全尺度火災；熱失控；電動式加油車

中圖分類號：D631.6" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2024）12-0001-03

鋰離子電池因其優異的能量密度和循環性能被廣泛應用于機場加油車[1-2]。然而鋰離子電池火災事故對其應用安全性構成了嚴重威脅[3-5]。針對電動式加油車鋰離子電池開展熱災害研究刻不容緩。目前，國內外關于鋰離子電池熱失控的研究主要集中于熱失控的觸發機理[3，4，6，7]、熱失控蔓延[8]及相關的模型仿真[9-11]。針對模組和電池系統的研究相對較少[12-13]，缺乏針對機場內地面電動式加油車的火災安全性研究。

綜上所述，本研究針對電動式加油車[14]開展全尺度試驗，揭示了電濫用鈦酸鋰電池的熱災害特性，研究成果為鈦酸鋰電加油車進行風險評估提供理論支持和實踐指導。

1 實驗樣品及平臺

本文采用2.3V40Ah的鈦酸鋰蓄電池單體和82.8V90Ah的鈦酸鋰多孔結構蓄電池模組。實驗采用過充的方式探究鈦酸鋰電池電濫用條件下的熱失控火災危險性。實驗過程中，電池按照電動式加油車的電源排列放置，見圖1。對于電池單體，重點檢測電池表面、安全閥以及負極處溫度。對于電池模組，重點監測過充電池以及周圍電池溫度。在電池安全閥水平方向，按照實際電動加油車的油管、噴油口及安全閥位置，按照距離等效布置熱電偶[14]。測試之前，將鈦酸鋰電池充至100%荷電狀態（SOC），穩定保持12h。針對電池單體和模組過充4h誘導熱失控開展實驗。

2 實驗結果

2.1" 電池單體過充安全性試驗

單體實驗時1、2、3號熱電偶分別表示電池表面中段、正極處安全閥、負極溫度。圖2為0.2C和0.4C實驗過程中電池溫度隨時間變化的趨勢。

以0.2C充電倍率對電池單體持續過充4h，鈦鋰電池外觀無明顯變化，且未發生產氣等異常情況。實驗過程中，電池溫度緩慢上升，電池表面和正極安全閥處的溫度的上升更為明顯。電池表面溫度在166min達到峰值14.6℃，正極安全閥處溫度在153min達到峰值15.3℃，負極處溫度在151min達到峰值9.9℃。以0.2C充電倍率，電池整體溫度較低處于安全范圍內。以0.4C充電倍率對電池單體持續過充，電池單體于216min時發生熱失控，反應劇烈最終電池炸裂。安全閥和負極處的溫度變化趨勢基本一致。在0～216min，安全閥和負極溫度呈現整體緩慢上升趨勢。第216min時，溫度急劇升高達到峰值1348.7℃，電池劇烈熱失控并炸裂。試驗結果表明采用0.4C充電倍率燃爆危險性極高。

2.2" 電池過充熱失控實驗

2.2.1" 單體過充熱失控實驗

采用1C的充電倍率對鈦鋰電池單體進行過充誘導熱失控溫度測試，持續充電后電池爆炸。熱失控時起始電壓為4.5V，溫度為76℃，安全閥開啟，隨后發生劇烈噴射火，電池表面溫度最高達266.9℃。熱失控持續約5min，電解液噴出并伴隨明火燃燒，產生大量氣體。熱失控時，安全閥處溫度顯著高于負極區域。電池下方5cm、10cm、15cm處溫度均不超過8℃，熱安全性較高。水平方向熱電偶測得的溫度最高為1175.4℃。具體見圖3。過充誘導熱失控時，部分區域溫度遠超加油膠管熔點，存在較大安全隱患。

2.2.2" 模組過充熱失控實驗

采用100A的直流電對模組內的四個電芯進行過充，圖4為實驗后的電池模組。觀察模組內部的電芯，試驗前電芯排列整齊。試驗后電芯排列出現混亂。遠離過充區域的電池保持相對穩定，另外半箱電池幾乎未受到影響。

試驗過程中，在111min時安全閥被觸發并迅速開啟。隨后電池模組內部瞬間發生劇烈的爆燃現象，伴隨極為耀眼的白光。由于高溫持續作用，引發了其他單體電芯的熱失控，在第117min時發生第二次爆燃，形成劇烈噴射火現象，共持續約30s。在第144min時連續發生第三次與第四次爆燃，火焰更加劇烈。整個過程中，電池模組的過充誘發了一系列熱失控現象，進一步凸顯了鋰電池在極端工況下的安全風險和破壞性。綜合來看，熱失控對電池模組的影響是局部的，主要集中在過充及周圍電芯上，在模組內的傳播相對有限，驗證了多孔結構抑制熱失控蔓延的有效性。

3 結束語

本研究通過試驗分析了鈦酸鋰電池在過充條件下的熱失控特性，研究單體和模組熱失控行為，為鈦酸鋰電池在實際應用中的風險評估與安全設計提供了科學支持，同時也為電動式加油車等設備的優化設計提供了參考。第一，鈦酸鋰電池單體和模組在過充誘導條件下熱失控時會分別發生劇烈噴射火和爆燃現象，熱失控現象顯著。同時由于熱失控的蔓延，整個熱失控過程會發生多次爆燃現象。第二，過充電流的大小顯著影響鈦酸鋰電池單體的熱失控行為。當過充電流達到40A（1C）時，單體電池表現出劇烈的爆燃現象，表明電池內部發生劇烈反應并導致結構破壞，強調了安全工作范圍的重要性。第三，在100A直流電過充條件下，模組內部電芯逐步出現熱失控引發多次爆燃。然而，熱失控傳播局限于過充電芯和鄰近區域，進一步驗證了多孔結構在模組中對熱失控傳播的抑制作用。為優化模組設計和提高安全性提供了參考。

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