論文發布

鋰電池熱失控火災與變動環境熱失控實驗

賀元驊，孫 強，陳現濤，應炳松

（中國民用航空飛行學院，四川德陽618307）

 摘 要：基于鋰電池熱失控火災特性實驗，總結電荷量為20％、30％、50％、70％、100％的18650型鋰離子熱失控特性，包括熱失控傳播、熱釋放速率、溫度、質量損失、釋放的氣體。分析駕駛艙、客艙和貨艙內鋰電池熱失控危險特性及內部滅火與通風系統等設施承受鋰電池火災的能力。介紹模擬飛行變動環境下熱失控實驗，為大規模鋰電池相關實驗的開展以及飛機滅火系統設計改進提供參考。

關鍵詞：安全工程；鋰離子電池；熱失控；電荷量；航空運輸

中圖分類號：X924.4, TM911, V223.2  文獻標志碼：A 

文章編號：1009-0029(2017)01-0027-04

據FAA（Federal Aviation Administration）統計，自1991年3月20至2015年6月30，共有158起與鋰電池相關的飛行和機場有記錄事件，包括鋰電池貨物和乘客包裹行李在內的冒煙、起火、過熱和爆炸。FAA組織開展長達數年的相關實驗研究，總結18650型鋰離子電池熱失控過程的行為特征和致害演化機理。電池在受熱、短路或外力碰撞等作用下發生熱失控，不僅劇烈反應釋放大量氣體和熱量，而且極易從一個電池傳播到相鄰電池。熱失控現象雖因電池種類差異而不同，但基本可以概括為4階段：首先氣體交替從小孔（外包裝被燒穿形成小孔）中噴出，繼而內部物質從正極端已有小孔冒出，然后內部物質噴射出來，最后內部物質全部噴射而出。豎立狀態時水平方向易發生爆炸，垂直方向釋放氣體和電解液，拋射出的物質以銅、石墨和鋁為主。

1 電荷量對熱失控特性影響規律

針對電荷量（State of Charge，SOC）對鋰離子電池熱失控特性影響規律方面的研究，國內研究者李毅發現鈷酸鎳18650型電池自燃溫度約為170℃。張青松等得出鋰離子電池熱穩定性隨著SOC增加而減小，并驗證了熱失控傳播的多米諾連鎖效應。羅慶凱等得到隨電池SOC 增加熱失控的起始溫度逐漸減小，熱失控結束溫度則先增大而后減小，質量損失逐漸增大。高飛等發現SOC為0％時產生氣體中CO含量最大，煙氣毒性最強；50％時煙氣生成量最大，但CO含量相對較少，鋰離子電池噴射式燃燒的特征最明顯等。

1．1 熱失控的傳播

2012年3月，FAA在熱失控傳播影響因素實驗中將SOC為20％、30％、50％、70％、100％的18650型鋰離子電池分為5組，每組4個電池和1個100Ｗ的筒形加熱器。發現SOC為50％時4個電池均發生熱失控，溫度均達到700℃以上；SOC為40％時有2個電池發生熱失控；SOC為30％、70％和100％時均只有1個電池熱失控。熱失控傳播與SOC關系，如圖1所示。

1．2 最高熱釋放速率

2012年3月，FAA在SOC對熱失控影響的實驗中，按SOC為20％、30％、50％、70％、100％分為5組，于50ｋＷ／㎡的酒精火加熱，錐形量熱儀記錄體系熱量變化，最高熱釋放速率（Peak Heat Release Rate，PHRR）隨SOC變化關系如圖2所示。結果顯示：PHRR隨SOC的增加而增大，SOC為50％時平均PHRR最大，為20％時平均PHRR最小。熱失控時PHRR最大值在SOC為50％附近出現，此時也最容易發生電池間熱失控的傳播，具有最大危險性。

1．3 溫 度

2014年，FAA利用熱失控溫度測定實驗探究18650型鋰離子電池在不同熱失控階段溫度與SOC變化關系，結果如圖3所示。實驗發現，熱失控第一次釋放氣體時溫度T１與SOC無關，始終在200℃左右；第二次釋放氣體時溫度T２也與SOC無關，約在260℃。而整個熱失控過程中的最高溫度Tｍａｘ隨SOC增加而增大。0％時最高溫度約為600℃，100％時最高溫度超過1000℃。

1．4質量損失

2014年，FAA在熱失控質量損失實驗中對熱失控過程中質量的損失進行探究，如圖4所示。第一次釋放氣體后質量損失約2～3g，第二次釋放氣體后質量損失約17g，兩次總持續時間約為2ｓ。對熱失控質量損失變化規律與SOC的關系進行探究，發現熱失控第一次釋放氣體結束后的質量m１不隨SOC的變化而變化，此階段損失的質量為定值；第二次釋放氣體結束后的質量m２隨SOC的增加而減小。整個熱失控過程中電池損失的質量呈現隨SOC增加而增加的規律，質量變化規律與SOC關系如圖5所示，電池質量為ｍ。在相同SOC的情況下，熱失控質量損失與儲電能力成一次函數關系，儲電能力越大，熱失控質量損失越多。

1．5 釋放氣體

2014年10月，FAA在釋放氣體危險性實驗中將