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        沈陽蓄電池研究所主辦

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        加熱引發三元18650型鋰離子電池組的燃燒特性

        作者: 周天念等 來源:儲能科學與技術

        摘 要為研究動力鋰電池組的燃燒特性,本工作以三元18650型鋰離子電池組為研究對象,在受限空間中開展了加熱引發電池組熱失控實驗,通過溫度數據采集及高清攝像的方法,對不同受熱位置和不同受熱功率時的鋰電池組的典型特征參數進行了試驗研究,包括著火時間、火焰形態、臨界熱失控溫度等,此外還開展了水霧滅火試驗。結果表明:三元鋰電池組熱失控溫度介于120~139 ℃,最大燃燒溫度會隨著熱源功率的增大而增加,最高溫度可達800 ℃。側面過熱時鋰電池組燃燒劇烈程度會隨著與熱源距離的增加而減弱,出現多次斷續復燃現象。相比側面過熱,鋰電池組底面負極過熱時燃燒程度更劇烈,電池會連續噴射燃燒,同時外部熱源功率的增大會縮短著火時間并加劇燃燒強度。此時采用水霧對著火的鋰電池組滅火,可以對燃燒中的鋰電池組進行有效的抑火降溫,使電池內部溫度降低到臨界溫度以下,從而有效防止復燃。

        關鍵詞三元鋰電池;熱失控;燃燒特性;臨界溫度;水霧滅火

        鋰離子電池商業化應用以來,技術不斷進步,目前已經廣泛應用于電動汽車、儲能、電子信息等領域,極大促進了人類社會的發展,但同時也有不同形式的爆炸起火事件發生,引發了人們對鋰離子電池使用安全的擔憂。前人針對鋰離子電池的火災危險性進行了大量研究,比如,汪書蘋等通過開展電動汽車充換電站的燃燒蔓延試驗,對比分析了不同類型鋰離子電池的熱穩定性,發現三元鋰材料熱穩定性相比磷酸鐵鋰和錳酸鋰都要低,其燃燒溫度更容易在短時間內達到最大值。此外,研究表明鋰離子電池的熱爆炸危險性與電池的荷電狀態(SOC)密切相關,危險性通常會隨著SOC的增加而增大。

        鋰電池在儲運和使用過程中,由于意外受熱可能造成鋰電池暴露在熱環境中而存在熱濫用風險。試驗表明鋰電池熱失控的等效臨界溫度介于123.8~139.2 ℃。在過熱條件下,鋰電池內部活性物質增強,容易引發電池材料間的化學放熱反應,導致內部急速升溫超過臨界值,從而造成電池熱失控起火。為了模擬過熱環境,外部加熱是一種常用的試驗方法,可以加快模擬鋰電池的熱濫用過程。然而,文獻中多關注的是鋰離子單體電池在過熱條件下的熱失控特征及燃燒特性,對于模塊化電池組的熱濫用研究還比較缺乏,本文采用加熱爐模擬三元18650型鋰電池組熱失控后對相鄰電池的熱濫用過程,分析不同受熱位置和加熱功率條件下鋰電池組的燃燒特性和火災行為,為三元18650型鋰離子電池的安全使用和高效滅火技術開發提供理論指導和數據支撐。

        1 實驗設置

        1.1?電池類型

        本文采用三元鋰離子電池組作為研究對象,電池組長240 mm、寬220 mm、高85 mm,重量為7 kg。電池組正常工作時電壓為48 V,額定容量30 A·h,內部由156(12×13)個標準18650電池芯組成,單個電芯高65 mm,直徑最大18.4 mm,如圖1所示。試驗前,將電池組外包裝拆除,因為外包裝為阻燃材料,通過外部加熱無法引燃鋰電池。此外,內部電路及電池管理系統保持不變,電池荷電狀態(SOC)均為100%。

        圖1   鋰離子電池組

        1.2?實驗布局

        整個試驗在一個狹長受限空間中進行,空間長12 m、寬2 m、高2.4 m,如圖2所示。受限空間縱向兩側設置有門,試驗期間保持關閉狀態。側面中間位置安裝有一個長1.2 m、高0.6 m的觀察窗,其對面墻的上側位置安裝有一個排煙風機,在試驗過程中開啟,保持通風。受限空間頂部共安裝11個型號為2.5/1.5的水霧噴頭,即流量系數K=2.5 L/min/(MPa)1/2,設計工作壓力為p=1.5 MPa,設計流量q=9.7 L/min,霧滴直徑Dv0.99為138 μm,噴頭間隔1 m,用來開展水霧滅火測試,同時作為備用滅火降溫措施,防止火災燃燒失控。

        圖2   狹長受限空間

        將鋰電池組水平放置在一個支架上,電池正極朝上,如圖3所示。支架為網狀結構,可方便從電池底部進行加熱。實驗中采用兩種加熱方式:①電加熱爐位于鋰電池組底部,電熱爐加熱面與電池底面相距8 cm,對電池芯底面負極進行持續加熱;②電加熱爐位于鋰電池側面,相距8 cm,對電池側面進行持續加熱。電加熱爐有效加熱面長12 cm,寬12 cm,面積144 cm2,加熱功率0~2000 W可調。采用外部熱源加熱鋰電池組,引發著火的流程是:打開電熱爐進行持續加熱,直至鋰電池著火后關閉電源,停止加熱。

        圖3   實驗設置

        實驗中,在電池組內部布置4根K型鎧裝熱電偶(T1、T2、T3、T4),熱電偶直徑1 mm,熱電偶位于電池芯中間位置,距離底部30 mm,用于采集電池組不同位置的溫度變化情況,但對于底部加熱和側面加熱兩種方式,熱電偶的布置位置并不相同,如圖4所示,紅色虛線框表示外加熱源(電熱爐)。此外在正面設置一個高清攝像機,記錄電池組的燃燒蔓延過程。

        圖4   不同加熱方式下熱電偶布置方式

        1.3?實驗工況

        共開展5組實驗,工況見表1。實驗1~3的加熱方式為底部加熱,4和5采用側面加熱,主要用于研究不同加熱位置對鋰電池組燃燒蔓延特性的影響。在此基礎上,開展了1組滅火實驗,即實驗3,采用的方式為水霧滅火。實驗1和2是均采用底部加熱方式重復實驗。此外,實驗3和實驗5加熱功率相比其他3組更高,為2 kW,用于研究外部熱源功率增大條件下鋰電池組內部溫度及燃燒特性的變化規律。

        表1   實驗工況

        2 實驗結果

        2.1?燃燒現象

        當從底部加熱時,鋰離子電池組的典型燃燒過程如圖5所示,根據燃燒的劇烈程度大致可以分為以下6個階段。

        圖5   從底部加熱鋰電池組時的燃燒現象

        (1)加熱階段。加熱爐對鋰電池組負極持續加熱一段時間后,電池表面會逐漸產生煙氣,其中一部分來自于鋰電池芯正極破損產生,因為在實驗現場或視頻中可以看到電池芯正極帽被氣壓沖開的現象,這說明由于持續加熱電池內部發生了劇烈反應,產生了大量氣體,緊接著從電池正極冒出少量電解液,如圖5(a)所示。

        (2)著火階段。實驗中觀察到,電池在著火前會產生大量煙氣,這些煙氣中含有許多可燃物,包括從電池內部反應產生的,也有電池組外殼包裝材料受熱解產生的,熱量集聚到一定程度后,發生著火,如圖5(b)所示。

        (3)引燃階段。對于從底部加熱的實驗工況,鋰電池中部受熱最為集中,如圖4(a)中紅色虛線框所示,因此電池組中間部位開始被大面積引燃,然后向四周擴散蔓延,電池芯內部的材料也一起被噴出,如圖5(c)所示。

        (4)噴射階段。鋰電池組表面著火后,溫度急劇升高,導致電池芯的安全閥被逐個打開,然后向外噴射出可燃氣體,如圖5(d)所示,同時伴隨著電解液的四處噴濺,如圖5(e)所示。在此階段,一個明顯的現象是燃燒劇烈,以及猛烈的爆炸響聲,電池芯也在內部壓力作用下四處飛濺,這為實驗過程中采集溫度變化帶來了困難,實驗前布置的熱電偶很容易被這種爆炸損壞或者移動位置,無法保證實時測量同一個位置的溫度變化。

        (5)整體燃燒階段。當大部分鋰電池芯的安全閥被沖開后,鋰電池組進入整體燃燒階段,此時火焰高度更高,火焰體積也更大,如圖5(f)所示。

        (6)衰減階段。電池內部可燃物逐漸消耗完后,火勢熄滅。

        鋰電池組從側面加熱時,燃燒過程如圖6所示,整個燃燒階段大致與底部加熱工況類似,包括著火、引燃、噴射等過程。從著火時間來看,如表1所示,除了實驗2的著火時間有明顯縮短外,本文中兩種加熱方式對著火時間的影響并不顯著,但是功率增大一倍后,從1 kW到2 kW,例如實驗3和實驗1相比,實驗5和實驗4相比,在相同加熱位置下,功率增大會明顯縮短著火時間。

        圖6   從側面加熱鋰電池組時的燃燒現象

        如圖6(a)所示,通過外加輻射熱源的方式對鋰電池組側面加熱,持續一段時間后,電池組距離熱源最近的一列電池最先著火,如圖6(b)所示,然后從右向左燃燒蔓延,在高溫火焰附近的電池芯安全閥被沖開,產生白色煙氣,如圖6(c)所示,同時伴隨著火花四濺的現象,如圖6(d)所示,這表示電池芯內部的電解液被噴出。電池組表面火焰在蔓延過程中逐漸熄滅,此時未著火的電池內部仍然在劇烈反應,此時可以觀察到大量白煙產生,如圖6(f)所示,這是電池芯內部反應產生的氣體,當遇到高溫或火花或具有類似點火能量時,電池出現復燃,如圖6(g)所示,直至火焰完全熄滅,從試驗結果可以看到,當鋰電池組側面過熱時,電池燃燒劇烈程度會隨著距離的增加而逐漸減弱,同時會多次出現斷續復燃的現象。

        鋰離子電池組燃燒后的幾個典型形態如圖7所示,鋰電池芯在使用時會通過串并聯的方式連接起來,組成電池組,通過電池管理系統(BMS)對各個電池芯進行智能化管理。電池組在受到外加輻射熱源被引燃后,會發生爆炸式的劇烈燃燒,部分電池芯會在內部反應產生的氣壓作用下脫離電池組,四處飛濺,內部隔膜材料也會溢出,如圖7(a)所示。由于電池芯正極安全閥的設計,當內部化學反應產生氣體后,壓力會通過安全閥外泄,從而降低了因為內壓造成電池芯外壁面破損的風險,如圖7(b)所示。對于一個鋰電池組,若其中一個電池發生熱失控著火或者因為外因導致著火后,其周圍的鋰電池芯會受到壁面傳熱,或者噴射出來的高溫殘留物灼燒,或者明火產生的熱輻射等方式引燃周圍電池芯,進一步擴大著火面積,而不會因為壁面爆炸瞬間擴大火勢,這說明相比鋰電池組側面,其底部(負極)需要被更好地防火保護。在過熱條件下鋰電池組的燃燒蔓延過程,首先發生變化的是電池溫度,通過測量電池組內部溫度的變化和分布情況,可以定量地分析鋰電池組火災行為,這對于如何去更好的控制火勢以及研發新的高效滅火技術有重要意義。

        圖7   鋰電池燃燒后的典型形態

        2.2?溫度分布

        圖8展示了鋰電池組在底部受熱時內部溫度的變化情況。從溫度歷史曲線的變化,可以觀察到3個不同的電池熱失控演化階段,這符合前文根據燃燒現象分析得出的結果。在加熱階段,溫度緩慢上升,可以看到T1的溫度上升趨勢相比其他的更快一些,其所測量的位置剛好位于電池組的中心區域,此處受熱量也最大,電池芯正極安全閥打開后,冒出白色煙氣,這意味著電池芯內部正在發生劇烈反應,產生了氣體。隨著溫度的持續上升,產生的可燃氣體引發電池芯著火,此時溫度曲線出現一個急劇上升的拐點,如圖8中虛線圈所示,著火時T1的溫度約為139 ℃,同時T3位置的溫度隨即出現了上升,這是由于火焰傳播過去所導致的。相比T2和T3位置,T4與T1的直線距離最遠,若按照電池芯最大尺寸計算,T4和T1之間間隔約99 mm,著火時間相差89 s,燃燒蔓延速度約為1.1 mm/s。鋰電池組著火后,會相繼發生噴射、爆炸等現象,這個過程溫度會持續上升,最后進入整體燃燒階段,電池組最高燃燒溫度超過700 ℃。

        圖8   底部受熱時電池組內部溫度變化(工況1)

        鋰電池組側面受熱時,對熱電偶的測量位置進行了調整,由相對輻射熱源位置由近及遠布局,實驗中測量到的典型溫度歷史曲線如圖9所示。相比底部受熱工況,當鋰電池組側面受熱時溫度分布有一些明顯的差異,雖然溫度均會出現若干個波峰,這意味著此時處于明火燃燒狀態,但是底部受熱時溫度峰值分布在一個更長的時間段內,如圖9中約1000 s,而底部受熱時溫度峰值相對集中,如圖8中約500 s,這主要是因為兩種不同工況下,鋰電池組受熱情況不同。

        圖9   側面受熱時電池組內部溫度變化(工況4)

        底部受熱時,鋰電池芯負極被持續加熱,大部分直接受熱的電池芯內部會在更為集中的時間段內加速化學反應,熱失控后著火,最后表現出整體燃燒的現象,但是側面受熱時,距離熱源更遠的位置,例如T4處,受熱量小,直至燃燒結束時溫度也沒有明顯的升高,這主要是因為側面受熱時電池組表現為從右至左的燃燒蔓延規律,而且中途會出現熄滅、復燃的現象,這種燃燒形式如果沒有外部的持續供熱,就難以實現連續燃燒蔓延。此外,如圖9所示,可以觀察到在著火時T1處的著火溫度約90 ℃,這個值相比底部負極受熱時低,而且著火后最高的溫度也在550 ℃附近,明顯比底部受熱時要低。從以上溫度分析的結果表明,相比側面受熱,鋰電池組底面負極受熱時發生熱失控導致火災的燃燒程度更為劇烈,具體表現在燃燒蔓延面積更大,火焰溫度更高。

        圖10展示的是工況3中溫度的變化情況,相比工況1,都是底部受熱,不同處在于加熱功率增長到了2 kW,同時在燃燒中期開啟水霧進行滅火,檢驗水霧的抑火降溫能力??梢杂^察到,受熱功率增加后,著火引燃時間提前,原因是顯而易見的,受到外界的熱量越高,電池芯內部化學反應就會越劇烈,熱失控并導致著火的時間也就越短。

        圖10   采用水霧滅火時電池組內部溫度變化(工況3)

        然而,如表2所示,著火時,T1的溫度相比功率更小的工況并沒有顯著差異,而是介于120~139 ℃。此外,工況3中T2、T3、T4三處位置的溫度相比加熱功率為1 kW時更低,這或許表明鋰電池組在外界輻射熱作用下,只有當溫度上升到某個特定范圍后,才會產生著火燃燒的現象,此處需要指出的是表2中列出的著火溫度由于采集點有限,可能并不是獲取的最低著火溫度。盡管如此,可以在一定程度上說明通過電池管理系統對每個電池芯的溫升變化進行實時監測是非常必要的,通過設置溫度閾值,一旦鋰電池組局部溫升超過該值,就啟動預警和防控措施,阻止整個電池組由于熱失控導致火災發生。

        表2   著火時各位置溫度

        如圖10所示,從t=780 s著火開始至t=998 s水霧啟動,整個預燃燒時長為218 s,開啟水霧滅火后,T3、T4處溫度迅速降低,連續噴霧30 s后,溫度降低到100 ℃以下,停止噴霧后,沒有發生復燃現象。實驗結果表明水霧能很好地抑火降溫,并有效防止復燃。相比于氣體滅火,水霧或許是一種很好的滅火介質,能持續對著火的鋰電池降溫,但同時也應注意在實際應用中水霧產生的水漬可能會造成大面積的設備損壞,產生二次破壞,而且霧滴直徑過大的水霧還可能會導致電池組短路或放電,加劇熱失控及火災規模的增長,因此具體的滅火方式選擇需要根據滅火對象進行具體分析。而這些具體應用的基礎是實驗數據,因此非常有必要進一步開展更大尺寸,特別是全尺寸的滅火實驗,研究鋰電池組的燃燒特性和檢驗不同滅火方式的有效性。

        3 結論

        本文開展加熱引發三元18650型鋰離子電池組的燃燒實驗,得到以下結論。

        (1)相比側面過熱,鋰電池組底面負極過熱時的燃燒程度更劇烈,電池會連續噴射燃燒。對于側面過熱,鋰電池組燃燒劇烈程度會隨著與熱源距離的增加而減弱,同時出現多次斷續復燃現象。此外,熱源功率的增大會縮短鋰電池組的著火時間并加大它的燃燒強度。

        (2)實驗結果表明三元鋰電池組底面負極過熱時熱失控溫度介于120~139 ℃,此種條件下最大燃燒溫度會隨著熱源功率的增大而增加,最高溫度可達800 ℃。

        (3)對燃燒中的鋰電池組施加純水霧滅火,可以有效抑火降溫,持續噴霧使電池溫度降低到臨界溫度以下后沒有出現復燃現象。這表明水霧可以作為一種針對鋰電池火災的有效滅火方式,但其應用時可能帶來水漬污染、短路放電等二次破壞,需要根據滅火需求慎重選擇。

        引用本文:周天念,吳傳平,陳寶輝.加熱引發三元18650型鋰離子電池組的燃燒特性[J].儲能科學與技術,2021,10(02):558-564. (ZHOU Tiannian,WU Chuanping,CHEN Baohui.Burning characteristics of the 18650-type lithium-ion ternary battery pack induced by heating[J].Energy Storage Science and Technology,2021,10(02):558-564.)

        第一作者:周天念(1989—),男,博士,工程師,主要從事鋰電池燃燒特征及滅火技術研究,E-mail:chounike@mail.ustc.edu.cn。


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