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锂电池热失控火灾与变动环境热失控实验

贺元骅，孙 强，陈现涛，应炳松

（中国民用航空飞行学院，四川德阳618307）

 摘 要：基于锂电池热失控火灾特性实验，总结电荷量为20％、30％、50％、70％、100％的18650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

据FAA（Federal Aviation Administration）统计，自1991年3月20至2015年6月30，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 Charge，SOC）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SOC为0％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，但CO含量相对较少，锂离子电池喷射式燃烧的特征最明显等。

1．1 热失控的传播

2012年3月，FAA在热失控传播影响因素实验中将SOC为20％、30％、50％、70％、100％的18650型锂离子电池分为5组，每组4个电池和1个100Ｗ的筒形加热器。发现SOC为50％时4个电池均发生热失控，温度均达到700℃以上；SOC为40％时有2个电池发生热失控；SOC为30％、70％和100％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。

1．2 最高热释放速率

2012年3月，FAA在SOC对热失控影响的实验中，按SOC为20％、30％、50％、70％、100％分为5组，于50ｋＷ／㎡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 Rate，PHRR）随SOC变化关系如图2所示。结果显示：PHRR随SOC的增加而增大，SOC为50％时平均PHRR最大，为20％时平均PHRR最小。热失控时PHRR最大值在SOC为50％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。

1．3 温 度

2014年，FAA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T１与SOC无关，始终在200℃左右；第二次释放气体时温度T２也与SOC无关，约在260℃。而整个热失控过程中的最高温度Tｍａｘ随SOC增加而增大。0％时最高温度约为600℃，100％时最高温度超过1000℃。

1．4质量损失

2014年，FAA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2～3g，第二次释放气体后质量损失约17g，两次总持续时间约为2ｓ。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m１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m２随SOC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ｍ。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。

1．5 释放气体

2014年10月，FAA在释放气体危险性实验中将