鄭昆，林文表，馬軍，丁勝，樊文琪,2

（1.廣州五所環(huán)境儀器有限公司，廣州 511370； 2.工業(yè)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(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，鋰電池的安全性始終是行業(yè)內(nèi)研究重點(diǎn)。當(dāng)鋰電池出現(xiàn)異常進(jìn)而發(fā)生燃燒或爆炸等反應(yīng)時(shí)，其火勢(shì)迅速、短時(shí)間內(nèi)向外釋放較大壓力，因而可導(dǎo)致周邊設(shè)施設(shè)備毀損、人身傷亡等重大安全事故的發(fā)生[1-3]。鋰電池進(jìn)行高溫、濕熱等氣候環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，為預(yù)防鋰電池在試驗(yàn)箱內(nèi)發(fā)生燃燒、爆炸等情況對(duì)試驗(yàn)設(shè)施及人員造成損毀和傷害，應(yīng)將鋰電池在具有防爆泄壓功能的試驗(yàn)設(shè)備中開(kāi)展試驗(yàn)。而在研制鋰電池環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備時(shí)需考慮受限空間內(nèi)鋰電池的安全特性設(shè)計(jì)并驗(yàn)證其防爆泄壓等技術(shù)性能指標(biāo)。

1 鋰電池安全特性

鋰電池在高溫、過(guò)充、外部短路等情況時(shí)，電池內(nèi)部溫度短時(shí)間異常升高，升高的溫度向周邊進(jìn)一步擴(kuò)散，進(jìn)而電池內(nèi)部發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)一步升高電池內(nèi)部溫度，因而化學(xué)反應(yīng)生成的大量熱量、氣體積聚到一定程度時(shí)可使電池發(fā)生燃燒、爆炸[4-6]。鋰電池燃爆分析見(jiàn)圖1所示。

圖1 鋰電池燃爆分析

鋰電池發(fā)生的燃燒主要為無(wú)氧燃燒，且溫度越高，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)越劇烈，其產(chǎn)生O2、C2H4、CO、H2、CO2等氣體，燃燒時(shí)電池表面溫度可達(dá)（800～1 500）℃，使用以窒息為原理的滅火劑對(duì)鋰電池發(fā)生的燃燒效果不明顯[7-8]。但可通過(guò)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備配備電池溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警模塊及能使電池迅速降溫的滅火裝置，當(dāng)電池溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警模塊檢測(cè)到電池溫度異常升高時(shí)，應(yīng)向設(shè)備控制系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警，當(dāng)溫度持續(xù)升高至預(yù)設(shè)溫度時(shí)，則滅火裝置應(yīng)啟動(dòng)，向電池噴射降溫滅火劑，使電池快速降溫，達(dá)到阻止鋰電池內(nèi)部化學(xué)進(jìn)一步反應(yīng)，進(jìn)而可達(dá)到抑制電池燃燒的目的。

鋰電池燃爆過(guò)程中的沖擊力與其所具備的能量成正比，與其所在的試驗(yàn)空間體積成反比，相同能量的鋰電池在越大的試驗(yàn)空間體積所產(chǎn)生的沖擊力越小[9-11]。因而在研制鋰電池環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備時(shí)應(yīng)盡量選用大容積的試驗(yàn)設(shè)備，同時(shí)其應(yīng)配備壓力釋放裝置，當(dāng)鋰電池發(fā)生爆炸時(shí)，應(yīng)能通過(guò)壓力釋放裝置釋放出電池產(chǎn)生的沖擊力，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)試驗(yàn)設(shè)備的目的。

圖2 鋰電池環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備

2 鋰電池環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備

結(jié)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(jiān)測(cè)預(yù)警模塊、壓力釋放裝置的鋰電池環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備，具備泄壓、有害氣體監(jiān)測(cè)、強(qiáng)制排風(fēng)、滅火、箱體防護(hù)、觀察窗防護(hù)、箱門防護(hù)等安全防護(hù)功能，可用于鋰電池試驗(yàn)或其它有泄壓需求的樣品試驗(yàn)，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(guān)標(biāo)準(zhǔn)所要求的溫度試驗(yàn)、濕度試驗(yàn)。

3 安全性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證鋰電池環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備安全防護(hù)功能，需對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的安全性進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，分別設(shè)計(jì)并開(kāi)展了壓力釋放裝置動(dòng)作測(cè)試（緩慢加壓試驗(yàn)）、壓力釋放裝置動(dòng)作測(cè)試（壓力快速釋放試驗(yàn)）、電池爆炸試驗(yàn)、泄壓口密封性能、滅火裝置滅火試驗(yàn)、電池溫度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)等，具體安全性試驗(yàn)方法及結(jié)果判定如表1所示。

表1 安全性試驗(yàn)方法及結(jié)果判定

4 結(jié)論

本文結(jié)合鋰電池燃燒爆炸特性對(duì)鋰電池環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)了壓力釋放裝置動(dòng)作測(cè)試、滅火裝置滅火、電池爆炸試驗(yàn)等多項(xiàng)安全性試驗(yàn)方法及結(jié)果判定，通過(guò)對(duì)廣州五所環(huán)境儀器有限公司已成功研制的鋰電池環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備（泄壓防護(hù)型快速溫度變化濕熱試驗(yàn)箱）進(jìn)行安全性試驗(yàn)，驗(yàn)證了本方法的可行性。該方法可對(duì)鋰電池環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備等防爆泄壓型設(shè)備的研發(fā)測(cè)試提供參考。