王志鵬 ,馬軍,林文表,傅釗,鄭昆*
( 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)
目前鋰電池在手機(jī)、筆記本、電動自行車、電動汽車等各行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用,其使用的環(huán)境愈加復(fù)雜和苛刻,隨著應(yīng)用范圍的逐漸擴(kuò)充和電池性能要求的不斷提高,鋰電池的能量密度和容量越來越大,鋰電池在不同環(huán)境下安全事故的幾率也隨之增大[1,2]。鋰電池使用過程中的安全性問題日益得到重視,需要對其在不同環(huán)境下安全性進(jìn)行評估和測試,因此研制一臺具有防護(hù)功能的鋰電池環(huán)境試驗設(shè)備具有重要意義。
作為高能量載體的鋰電池,其安全性問題主要集中在燃燒或爆炸。當(dāng)鋰電池在外部高溫、過充、內(nèi)部制造缺陷等狀態(tài)下使用時,會引起電池短路,內(nèi)部溫度會不斷升高,進(jìn)而可引起電池內(nèi)部將發(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生大量的熱量與氣體,電池自身熱管理失控,當(dāng)積累到一定程度就會引起電池的著火、爆炸。鋰電池燃燒爆炸機(jī)理見圖1 所示[3-6]。
圖1 鋰電池燃燒爆炸機(jī)理
鋰電池常用的國家標(biāo)準(zhǔn)有GB 38031-2020 《電動汽車用動力蓄電池安全要求》、GB/T 36972-2018《電動自行車用鋰離子蓄電池》,標(biāo)準(zhǔn)中檢測項目對環(huán)境的要求如表1、表2 所示。
表1 GB 38031-2020 檢測項目的主要環(huán)境條件[7]
表2 GB/T 36972-2018 檢測項目的主要環(huán)境條件
1)具備泄壓、消防、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)等安全防護(hù);
2)標(biāo)稱內(nèi)容積:1 m3;
3)溫度范圍:(-70 ~+150)℃;
4)溫度波動度:≤0.5 ℃;
5)溫度偏差:≤1.5 ℃;
6)溫度均勻度:≤2.0 ℃;
7)溫度最大變化速率:≥5 ℃/min(標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載下,入風(fēng)區(qū)控制點測量);
8)濕度范圍:(20 ~98)%RH(如圖2,無有源濕、熱負(fù)載);
圖2 溫濕度可控制范圍圖
9)相對濕度偏差:±3.0 %RH(濕度>75 %RH 時),±5.0 %RH(濕度≤75 %RH 時);
10)標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載:50 kg 鋁錠,無發(fā)熱。
消防裝置主要針對鋰電池在試驗過程中出現(xiàn)燃燒或爆炸時產(chǎn)生的火焰進(jìn)行滅火及燃燒爆炸后產(chǎn)生的煙霧、氣體進(jìn)行排風(fēng)等,主要包括滅火組件、排風(fēng)組件、測量組件等,消防裝置設(shè)計框圖如圖3 所示。
圖3 消防裝置設(shè)計框圖
測量組件由1.煙霧傳感器,2.溫度傳感器組成,煙霧傳感器安裝在試驗箱頂部,溫度傳感器粘貼在鋰電池外殼表面。測量組件的主要作用是實時監(jiān)測鋰電池在試驗過程箱內(nèi)有無煙霧產(chǎn)生及鋰電池表面溫度有無異常升高,當(dāng)煙霧傳感器檢測到箱內(nèi)有氣體產(chǎn)生或溫度傳感器檢測到鋰電池表面溫度在短時間內(nèi)急劇升高,則判定鋰電池已發(fā)生燃燒,進(jìn)而啟動滅火組件。
滅火組件由3.可調(diào)噴嘴,4.單向電磁閥,5.CO2滅火器組成??烧{(diào)噴嘴安裝在試驗箱側(cè)頂部,其噴嘴朝向可手動調(diào)節(jié)朝向鋰電池的特定表面,單向電磁閥主要防止試驗箱內(nèi)氣體進(jìn)入滅火器;當(dāng)測量組件檢測到鋰電池燃燒時,CO2滅火劑經(jīng)噴嘴噴向鋰電池,進(jìn)而對鋰電池進(jìn)行滅火,滅火裝置啟動一定時間后停止,進(jìn)而啟動排風(fēng)組件。
排風(fēng)組件由6.單向電磁閥,7.空氣凈化器,8.離心風(fēng)機(jī)組成。滅火組件啟動一定時間后排風(fēng)組件啟動,將試驗箱內(nèi)的氣體排出室外。為防止鋰電池燃燒后的氣體對空氣造成污染,增加空氣凈化器將箱內(nèi)氣體凈化后再排向室外。
泄壓裝置主要針對鋰電池在試驗過程中出現(xiàn)燃燒或爆炸時使試驗箱內(nèi)產(chǎn)生的壓力進(jìn)行泄壓,以免對箱體產(chǎn)生破壞。泄壓裝置主要由1.防凝露頂板,2.泄壓口,3.網(wǎng)罩,4 防濺棒組成,其中泄壓口由5.鋁箔,6.隔熱材料,7.泄壓板,8.發(fā)熱絲等組成,泄壓裝置設(shè)計框圖如圖4、圖5 所示。當(dāng)箱內(nèi)壓力急劇升高時,泄壓口2 打開,使試驗箱內(nèi)部與外界大氣相通,進(jìn)而箱內(nèi)壓力迅速降低。當(dāng)泄壓動作發(fā)生時,防濺棒7 可擋住泄壓板、隔熱材料等,同時安裝在外箱頂部的網(wǎng)罩3 可罩住泄壓口,防止泄壓板7、保溫材料飛濺到室內(nèi)。
圖4 泄壓裝置設(shè)計框圖
圖5 泄壓口局部放大圖
泄壓口設(shè)計時需考慮泄壓位置、泄壓面積、泄壓壓力、不動作時密封性及防凝露等方面考慮。本鋰電池環(huán)境試驗設(shè)備的泄壓口在箱體頂部中間位置,泄壓面積結(jié)合內(nèi)箱容積、泄壓口開啟壓力、爆炸壓力上升速率而定,泄壓壓力通過使用表面貼有鋁箔的不銹鋼矩形網(wǎng)格薄板(泄壓板7)來實現(xiàn),如圖6 所示。當(dāng)達(dá)到設(shè)定泄壓口開啟壓力時,網(wǎng)格板上的鋁箔沿接縫拉伸破壞,泄放箱內(nèi)氣體壓力,達(dá)到對箱體保護(hù)的作用。
圖6 網(wǎng)格泄壓板示意圖
泄壓口通過法蘭與箱體連接,為防止在低溫、濕熱試驗過程中凝露的產(chǎn)生,可通過以下措施防止凝露:
1)泄壓板和外箱體之間的夾層填充保溫棉,保溫棉使用鋁箔紙包裹好,放入泄壓腔中。外箱頂部的開口,使用鋁箔5 封住,鋁箔和外箱的接縫使用錫箔膠粘帶密封好。
2)內(nèi)箱頂部安裝防凝露頂板1,對應(yīng)泄壓口位置開孔讓位。泄壓口及接縫處產(chǎn)生的凝露,滴到防凝露板上,再排到箱內(nèi)排水通道內(nèi),防止凝露滴在樣品表面。
3)需要時,在泄壓板上布硅橡膠發(fā)熱絲8,根據(jù)試驗結(jié)果調(diào)節(jié)發(fā)熱絲的輸出量,將泄壓板的表面溫度提高到露點溫度之上,可防止凝露。
結(jié)構(gòu)加固主要是降低鋰電池在試驗過程中爆炸壓力對箱體結(jié)構(gòu)的影響,可通過內(nèi)箱結(jié)構(gòu)加固、箱門觀察窗加固、箱門鎖鏈加固等方面加強(qiáng)防護(hù)。鋰電池環(huán)境試驗箱的內(nèi)箱外部采用加強(qiáng)筋做成框架結(jié)構(gòu),以形成一個整體,增加箱體強(qiáng)度,內(nèi)箱框架結(jié)構(gòu)如圖7 所示。箱門上觀察窗玻璃采用耐高溫防爆玻璃,同時在觀察窗安裝內(nèi)防護(hù)網(wǎng)、外防護(hù)網(wǎng),內(nèi)防護(hù)網(wǎng)防止電池爆炸碎片沖擊玻璃造成觀察窗破裂,外防護(hù)網(wǎng)防止玻璃受沖擊破裂后產(chǎn)生的碎片飛出傷人。箱門把手采用三聯(lián)密閉聯(lián)動把手,同時增加安全鎖鏈可限制大門打開角度,提供緩沖,可避免人員受到傷害。
圖7 內(nèi)箱框架結(jié)構(gòu)
本文對某新研制的鋰電池環(huán)境試驗設(shè)備進(jìn)行了介紹,可滿足鋰電池如GB 38031-2020、GB/T 36972-2018 等標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境適用性部分的要求,對于提高鋰電池環(huán)境適用性具有重要意義,同時設(shè)備的消防裝置、泄壓裝置及結(jié)構(gòu)加固裝置等模塊結(jié)構(gòu)緊湊簡單,亦為其他易燃易爆環(huán)境試驗設(shè)備的研制提供參考。