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火災(zāi)試驗(yàn)中鋰電池特性研究

鋰電池由于具有較高的能量密度和功率密度且使用壽命長(zhǎng)，充電速度快而得到廣泛應(yīng)用。然而，鋰電池由于含有易燃性材料，因此解決其使用安全問(wèn)題變得至關(guān)重要。電池過(guò)熱會(huì)散發(fā)出HF、POF3等有毒氣體。為此，對(duì)商用鋰電池進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，測(cè)量鋰電池燃燒過(guò)程中熱釋放速率、電壓和表面溫度等參數(shù)，以及HF、POF3等氣體排放物的排放量。

使用單體燃燒儀對(duì)鋰電池燃燒試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量和氣體收集。電池置于金屬網(wǎng)格上，丙烷燃燒器置于電池下方。沖擊試驗(yàn)總共進(jìn)行6項(xiàng)。試驗(yàn)1～5使用袋狀磷酸鐵鋰電池，每項(xiàng)試驗(yàn)包含5塊電池，通過(guò)鋼絲機(jī)械固定在一起。試驗(yàn)6采用9塊K2 26650柱狀電池，直立排列在一個(gè)有一面不可燃硅膠板組成的盒子里。在試驗(yàn)3中手動(dòng)將水霧作為噴霧添加到電池上方火焰中，研究附加水分對(duì)排放氣體組成的影響。所有試驗(yàn)均對(duì)荷電狀態(tài)進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，所有電池均有不同程度的老化。為減少燃燒器長(zhǎng)時(shí)間使用產(chǎn)生的影響，每項(xiàng)試驗(yàn)分2天進(jìn)行，隔天再進(jìn)行下一項(xiàng)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，使用PICO技術(shù)ADC-24數(shù)據(jù)記錄器以1Hz的頻率對(duì)鋰電池溫度和電壓進(jìn)行測(cè)試。使用仕富梅4100氣體純度分析儀測(cè)量排放氣體中的氧含量，使用非分散性紅外線傳感器測(cè)量排放氣體中CO和CO2的含量。通過(guò)耗O2量計(jì)算熱釋放速率，并通過(guò)CO2含量對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正。使用吸附過(guò)濾器吸附產(chǎn)生的氟化鹽，通過(guò)傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀測(cè)量HF、POF3的含量。最后通過(guò)對(duì)一個(gè)汽車(chē)級(jí)10kWh鋰電池進(jìn)行火災(zāi)試驗(yàn)，與之前的6項(xiàng)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)表明，鋰電池的熱釋放總量約為28～75kJ/Wh，最大熱釋放速率為110～490W/ Wh。在所有試驗(yàn)中，所釋放的氣體中均發(fā)現(xiàn)了HF，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)大量的POF3和PF5。在0%、50%和100%這3種荷電狀態(tài)下，高荷電狀態(tài)電池的熱釋放速率較高、反應(yīng)活性也較高、溫度升高較快、電壓擊穿較早。對(duì)比試驗(yàn)中氟化氫排放量約為400～1200gHF。若在封閉的環(huán)境中釋放這些HF會(huì)導(dǎo)致難以想象的后果。

刊名：Journal of Power Sources（英）

刊期：2014年第271期

作者：Fredrik Larsson

編譯：李臣