低壓環(huán)境對鋰電池熱失控釋放溫度的影響

馮 碩

（河南醫(yī)學高等?？茖W校，河南鄭州 450000）

鋰電池為人們生活帶來便捷的同時，其安全性也受到了大家的關注。電解液劇烈燃燒會穿透金屬板，熱解氣體的爆炸極限比烴類要高。鋰電池的熱失控反應容易造成危險事件，其高溫特性是火災危險的重要和基礎參數(shù)。因此，有必要探究低壓環(huán)境對于鋰電池熱失控釋放溫度的影響，降低其使用危險性。

1 鋰電池熱失控概述

鋰電池熱失控過程包含初爆與燃爆兩種形式，其中初爆階段鋰電池的內部溫度會提升，若壓力增大會破開鋰電池的泄壓口同時持續(xù)釋放煙霧；燃爆過程中鋰電池會出現(xiàn)劇烈噴射問題，從電池的正極位置噴射大量的發(fā)光高溫物質，同時進行二次燃燒。低壓環(huán)境中鋰電池熱失控的初爆過程煙霧的釋放時間很長，在噴射完成后不會燃燒，噴射物的亮度也會下降。本課題在30kPa、60kPa、101kPa 的多種壓力環(huán)境中對多節(jié)鋰電池進行熱失控反應實驗，研究壓力對于電池正極熱失控釋放的溫度的影響。

2 低壓環(huán)境對鋰電池熱失控釋放溫度的影響

2.1 低壓環(huán)境對于鋰離子電池池體溫度的影響

鋰電池熱失控燃爆過程中，當電池的荷電量不同時，環(huán)境壓力下降會導致鋰電池的池體響應溫度提升。因此壓力越大，鋰電池的燃爆幾率越大。同時，鋰電池池體的燃燒溫度也會伴隨著荷電量的提升而減少，此過程不會受壓力環(huán)境的影響而變化。當荷電量在100%、50%、0%時，鋰電池的池體最高溫度會伴隨著壓力的提升而增加，壓力越小則鋰電池的燃爆危險性越低。此外，不同壓力中鋰電池的池體最高溫度會隨著荷電量的提升而增加。

2.2 低壓環(huán)境對于鋰離子電池噴射口溫度的影響

熱失控反應中在電池的正端噴射出口溫度是熱失控反應釋放的溫度，熱失控釋放的能量來源主要包含以下內容：其一，熱失控產(chǎn)生的可燃、易燃物質會在多種壓力環(huán)境中發(fā)生二次燃燒反應所釋放的能量。其二，鋰電池內部熱失控反應釋放的高溫物質和能量。通過在30kPa、60kPa、101kPa 多種壓力環(huán)境中進行重復實驗，能夠發(fā)現(xiàn)低壓環(huán)境對鋰電池熱失控形成的環(huán)境溫度會產(chǎn)生多種影響，具體分為以下幾方面：

（1）30kPa 壓力環(huán)境

30kPa 的低壓環(huán)境中，電池的正極噴射出口所測試的熱失控釋放溫度主要分為5個峰值：1～4個高溫峰值集中在7節(jié)電池的熱失控反應期間；峰值1和2發(fā)生在第一次和第二次熱失控反應過程中，峰值的寬度窄并且高溫所持續(xù)的時間短；峰值3與4一部分出現(xiàn)在第3～7次的鋰電池熱失控反應階段，其中峰值3的溫度較低，而峰值4則發(fā)生于鋰離子電池的熱失控反應完成時期，峰值4的溫度與5接近，溫度較高；峰值5出現(xiàn)在熱失控的全反應完成后，此時鋰離子的噴射殘余可燃物和電池外皮正進行燃燒，因此釋放的溫度較高且峰值的寬度較大，高溫持續(xù)時間較長[1]。

因此，30kPa 的低壓環(huán)境中鋰電池的熱失控階段所釋放的溫度峰值數(shù)量較少，其中高溫峰值寬度、峰值數(shù)量相較于60kPa 的環(huán)境低，因此電池熱失控的高溫危險性低于60kPa 的壓力環(huán)境。此外，30kPa 的低壓環(huán)境中氧濃度較低，能夠在一定程度上對鋰離子電池的內部劇烈熱失控反應進行抑制，使熱失控反應所產(chǎn)生的有機氣體可燃物質在低壓環(huán)境中很難進行二次燃燒反應，由此發(fā)現(xiàn)30kPa 中鋰離子電池內部材料進行熱失控放熱反應是低壓環(huán)境產(chǎn)生高溫熱量的原因。

（2）60kPa 壓力環(huán)境

電池熱失控反應通過噴射光亮、高溫物質形成燃爆過程，進而產(chǎn)生高溫峰值[2]。壓力環(huán)境為60kPa 時，鋰離子電池存在7次熱失控反應，通過對鋰電池噴射口環(huán)境溫度進行探測發(fā)現(xiàn)，反應出現(xiàn)5個熱失控高溫峰值，其中1～4的高溫峰值主要集中在第7次熱失控反應中。鋰離子高溫峰值5出現(xiàn)在7節(jié)電池熱失控反應完成后，該階段中鋰離子的電池噴射可燃物、塑料外皮通過燃燒反應進而形成高溫峰值。峰值2、3、4的溫度大約是800℃，最高溫度約是1 100℃，其峰值寬度較窄。相較于101kPa 的壓力環(huán)境，在60kPa 的環(huán)境中產(chǎn)生了7次熱失控反應；鋰離子電池噴射口的溫度峰值是4個，分析得出在低壓中熱失控反應所噴射的燃爆物質對于高溫影響較低，若峰值高于600℃則寬度會變窄。因此60kPa 的低壓環(huán)境中熱失控反應所產(chǎn)生的持續(xù)高溫時間被縮短。同時，60kPa 的壓力環(huán)境中熱失控的高溫釋放反應相較于常壓條件安全性要高，因此該環(huán)境與常壓環(huán)境相比氧濃度較低。高溫釋放熱量主要通過電池內部材料的熱反應進而釋放能量，另外一部分源于電池內部通過熱失控反應產(chǎn)生可燃氣體。

（3）101kPa 壓力環(huán)境

101kPa 的壓力環(huán)境也就是常壓條件，一定條件下電池依次會發(fā)生熱失控反應，鋰離子電池在低壓環(huán)境中一共發(fā)生了7次劇烈的電池熱失控反應。在電池反應中會在其正上方約30mm 的位置捕捉高溫反應峰值，而劇烈的噴射燃燒反應出現(xiàn)的環(huán)境高溫峰值大體均勻地分布于1～7次的熱失控反應范圍中，全部高溫峰值溫度遠遠大于600℃，最低溫度約為800℃，最高溫度能夠達到1 100℃。同時，101kPa中鋰離子熱反應釋放高溫的峰值寬度大，因此釋放溫度所持續(xù)的時間較長。101kPa環(huán)境中7次熱失控反應均會釋放高溫能量，并對周邊環(huán)境形成持續(xù)的高溫影響。此外，常壓101kPa的環(huán)境中鋰電池熱失控反應所釋放的高溫來源包含以下要素：鋰離子電池的內部發(fā)生劇烈的熱反應進而釋放能量；鋰電池內部通過反應形成易燃氣體，并在常壓環(huán)境中進行二次燃燒反應，進而釋放熱量。

2.3 低壓對鋰電池熱失控反應的影響機理

針對低壓環(huán)境中鋰電池熱失控反應發(fā)生的燃爆噴射現(xiàn)象，通過分析熱失控反應可以得出以下機理：低壓環(huán)境中壓力和氧含量下降的條件下，鋰電池熱失控反應明顯。由于鋰電池屬于封閉系統(tǒng)，若壓力減少，會導致鋰電池外部溫度升高，內外壓力差增加，內部的氣體會沖出電池泄壓口，進而釋放內部壓力。因此，低壓環(huán)境中鋰電池噴射過程的能量積累時間較長，同時在噴射前期電池熱失控釋放煙霧的時間也會拉長[3]。

低壓環(huán)境中由于氧含量少，使鋰電池中電池噴射物和氧分子的接觸性不足，無法燃燒充分。因此鋰電池噴射物中會存在較多的暗黑色物質，這些是噴射物不充分燃燒的顆粒物，會大大降低噴射物燃燒的亮度。低壓環(huán)境中氧含量的下降會提升點火初級階段所需要的能量值。不過電池噴射物的燃燒反應不完全，因此最高溫度會略低于常壓條件，在點燃后電池噴射氣體的可能性會下降，因此在低壓條件下一般不會產(chǎn)生第二次的燃燒情況。由于低壓條件下煙霧釋放的時間拉長，會增加電池池體的加熱時間，導致鋰電池池體燃爆階段的對應溫度提升。氧氣濃度下降，電池會發(fā)生不充分化學反應，因此煙霧在釋放過程中會減少一部分熱量，鋰電池的最高溫度會小于常壓條件中電池池體的溫度，電池噴射口溫度也會低于常壓條件下的溫度。

環(huán)境壓力的降低使電池熱失控釋放溫度的高溫寬度、峰值數(shù)量、持續(xù)時間均逐漸降低，同時低壓環(huán)境中較低的氧濃度會對熱失控釋放氣體的燃燒反應構成限制，因此低壓環(huán)境中鋰電池釋放溫度一般為電池內部材料熱失控反應產(chǎn)生的能量，而熱失控所釋放能量會使電池體外溫度達到900℃，存在電池間的能量傳遞。