锂电池热失控火灾与变动环境热失控实验

贺元骅 陈现涛应炳松

中国民用航空飞行学院四川德阳618307

  基于锂电池热失控火灾特性实验总结电荷量为2030507010018650型锂离子热失控特性包括热失控传播热释放速率温度质量损失释放的气体分析驾驶舱客舱和货舱内锂电池热失控危险特性及内部灭火与通风系统等设施承受锂电池火灾的能力介绍模拟飞行变动环境下热失控实验为大规模锂电池相关实验的开展以及飞机灭火系统设计改进提供参考

关键词安全工程锂离子电池热失控电荷量航空运输

中图分类号X924.4, TM911, V223.2  文献标志码A 

文章编号1009-0029(2017)01-0027-04

FAAFederal Aviation Administration统计19913202015630共有158起与锂电池相关的飞行和机场有记录事件包括锂电池货物和乘客包裹行李在内的冒烟起火过热和爆炸FAA组织开展长达数年的相关实验研究总结18650型锂离子电池热失控过程的行为特征和致害演化机理电池在受热短路或外力碰撞等作用下发生热失控不仅剧烈反应释放大量气体和热量而且极易从一个电池传播到相邻电池热失控现象虽因电池种类差异而不同但基本可以概括为4阶段首先气体交替从小孔外包装被烧穿形成小孔中喷出继而内部物质从正极端已有小孔冒出然后内部物质喷射出来最后内部物质全部喷射而出竖立状态时水平方向易发生爆炸垂直方向释放气体和电解液抛射出的物质以铜石墨和铝为主

1 电荷量对热失控特性影响规律

针对电荷量State of ChargeSOC对锂离子电池热失控特性影响规律方面的研究国内研究者李毅发现钴酸镍18650型电池自燃温度约为170张青松等得出锂离子电池热稳定性随着SOC增加而减小并验证了热失控传播的多米诺连锁效应罗庆凯等得到随电池SOC 增加热失控的起始温度逐渐减小热失控结束温度则先增大而后减小质量损失逐渐增大高飞等发现SOC0时产生气体中CO含量最大烟气毒性最强50时烟气生成量最大CO含量相对较少锂离子电池喷射式燃烧的特征最明显等

11 热失控的传播

20123FAA在热失控传播影响因素实验中将SOC2030507010018650型锂离子电池分为5每组4个电池和1100的筒形加热器发现SOC504个电池均发生热失控温度均达到700以上SOC40时有2个电池发生热失控SOC3070100时均只有1个电池热失控热失控传播与SOC关系如图1所示

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12 最高热释放速率

20123FAASOC对热失控影响的实验中SOC20305070100分为550kW的酒精火加热锥形量热仪记录体系热量变化最高热释放速率Peak Heat Release RatePHRRSOC变化关系如图2所示结果显示PHRRSOC的增加而增大SOC50时平均PHRR最大20时平均PHRR最小热失控时PHRR最大值在SOC50附近出现此时也最容易发生电池间热失控的传播具有最大危险性

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2014FAA利用热失控温度测定实验探究18650型锂离子电池在不同热失控阶段温度与SOC变化关系结果如图3所示实验发现热失控第一次释放气体时温度TSOC无关始终在200左右第二次释放气体时温度T也与SOC无关约在260而整个热失控过程中的最高温度TmaxSOC增加而增大0时最高温度约为600100时最高温度超过1000

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14质量损失

2014FAA在热失控质量损失实验中对热失控过程中质量的损失进行探究如图4所示第一次释放气体后质量损失约23g第二次释放气体后质量损失约17g两次总持续时间约为2对热失控质量损失变化规律与SOC的关系进行探究发现热失控第一次释放气体结束后的质量m不随SOC的变化而变化此阶段损失的质量为定值第二次释放气体结束后的质量mSOC的增加而减小整个热失控过程中电池损失的质量呈现随SOC增加而增加的规律质量变化规律与SOC关系如图5所示电池质量为在相同SOC的情况下热失控质量损失与储电能力成一次函数关系储电能力越大热失控质量损失越多

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15 释放气体

201410FAA在释放气体危险性实验中将