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鋰電池熱失控產氣氣體燃燒速率研究

  • 發布時間:2022-07-14
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前(qian)言

鋰電池熱失控產氣存在多種(zhong)可燃氣體(ti)(ti),易(yi)導致燃(ran)(ran)燒或爆炸(zha)事故(gu)。為減輕電(dian)池產(chan)氣燃(ran)(ran)爆帶(dai)來的(de)破(po)壞(huai)效應,電(dian)池包或系統上(shang)需配備泄放裝置,并(bing)保(bao)證其在規定(ding)壓力下打開。氣體(ti)(ti)燃(ran)(ran)燒速率(lv)(lv)是進行燃(ran)(ran)爆泄放設計所需的(de)重要參數,“UL 9540A-2019評價電(dian)池儲(chu)能系統中熱失控(kong)火焰傳播的(de)安全(quan)試(shi)驗方法”標準(zhun)中明確規定(ding)電(dian)池產(chan)氣氣體(ti)(ti)燃(ran)(ran)燒速率(lv)(lv)測試(shi)納入(ru)電(dian)芯級安全(quan)測試(shi)范(fan)疇。

本次(ci)實(shi)(shi)驗(yan)通過人工配氣(qi)模(mo)擬某款儲(chu)能電芯熱失(shi)控所產生的可(ke)燃混合氣(qi)體,并使用仰(yang)儀科技(ji)FPV-400A氣(qi)體燃燒(shao)速(su)率(lv)測(ce)(ce)試儀進(jin)行(xing)測(ce)(ce)試。實(shi)(shi)驗(yan)結果表明,混合氣(qi)濃度(du)為24.20Vol%時(shi),氣(qi)體燃燒(shao)速(su)率(lv)達到最大值56.04cm/s。


實驗部分

  1. 樣品準備

    待(dai)測混合氣(qi)樣品:主(zhu)要成(cheng)分(fen)為(wei)CO?、CO、H?、CH?、C?H?和(he)C?H?,依據(ju)(ju)某磷酸鐵鋰電(dian)芯熱(re)失控產(chan)氣(qi)的氣(qi)相色譜(pu)數據(ju)(ju)進(jin)行配(pei)制(zhi)。

  2. 實驗(yan)條(tiao)件(jian)

    實驗儀(yi)器:仰儀(yi)科技FPV-400A氣體燃燒速率測試儀(yi)

    反應管內(nei)徑:40mm

    膨脹罐壓力:500kPa

    攪(jiao)拌轉速:300r/min

    點火(huo)時長:0.30s

    點火能量:15kV,30mA

    曝光(guang)時長(chang):12.00ms

    圖1 FPV-400A氣(qi)體燃燒速率(lv)測試儀(yi)

  3. 測(ce)試方法

本方案參照UL9540A-2019所引(yin)用(yong)的(de)“ISO 817-2014 制冷劑——命名和安全(quan)分類”標準(zhun)方法(fa)。基本測試原理為:點燃待(dai)測可燃氣(qi)體與底部(bu)點火(huo)端開放的(de)垂直細長管內的(de)空氣(qi)所形(xing)成的(de)均質(zhi)混合物(wu),引(yin)發火(huo)焰(yan)(yan)向上部(bu)封閉端進行傳播(bo)(如圖(tu)2所示)。在火(huo)焰(yan)(yan)穩定傳播(bo)階(jie)段,攝像機實時記錄(lu)火(huo)焰(yan)(yan)狀態,通過圖(tu)像處理算法(fa)提取火(huo)焰(yan)(yan)形(xing)態,計算火(huo)焰(yan)(yan)冠表面積(ji)和火(huo)焰(yan)(yan)燃燒速度。


圖2 火焰(yan)在(zai)垂直管中的(de)傳播示意圖


值得注意的是,反應(ying)管內(nei)徑的選取(qu)綜合考慮(lv)了(le)火(huo)焰在(zai)壁面的淬(cui)(cui)滅效應(ying)以(yi)及火(huo)焰傳播(bo)穩定性(xing)。內(nei)徑越大,火(huo)焰越不(bu)容易被淬(cui)(cui)滅,但同時(shi)火(huo)焰形態穩定性(xing)下(xia)降。ISO 817-2014標準規(gui)定的反應(ying)管內(nei)徑(40mm)主要針對氣體燃燒(shao)速率相(xiang)對較低的(通(tong)常<40cm/s)制冷(leng)劑測(ce)試(shi)。該方(fang)法對于電池熱失控產氣測(ce)試(shi)并(bing)不(bu)完(wan)全適用。


實驗結果

通過(guo)改變可燃氣濃度進行(xing)實驗(yan)(通常(chang)從爆炸上、下限逐步逼近化學當(dang)量濃度),可擬合得(de)到(dao)氣體燃燒速(su)率與濃度關系曲線,曲線頂點即(ji)為最大氣體燃燒速(su)率,該值通常(chang)出(chu)現在當(dang)量濃度附近。

不同濃(nong)度下(xia)混合氣(qi)點燃后(hou)的火焰傳(chuan)播形(xing)態(tai)與實時處理(li)圖像如圖3所示。


圖3 不(bu)同濃(nong)度下電池產氣火焰傳播過程動態分析(xi)


混合氣燃燒(shao)速率(lv)與濃度擬(ni)合曲線(xian)如圖4所示(shi)。當氣體燃燒(shao)速率(lv)>40cm/s時,火焰穩定傳播(bo)時間很短,難以進行計算(suan)分(fen)析,因此無(wu)法準確得到當量(liang)濃度附近的(de)測(ce)試結果。通過(guo)擬(ni)合曲線(xian)推算(suan),當混合氣濃度為24.20%時,最大氣體燃燒(shao)速率(lv)為56.04cm/s。


圖4 混合氣燃燒速率與濃度擬合曲線


實驗(yan)結論(lun)

本(ben)文基于UL9540A-2019測試標準(zhun),測定得到了鋰電(dian)池(chi)單(dan)體熱(re)失控產(chan)氣的(de)氣體燃(ran)燒速率,相關數據可用(yong)于熱(re)失控產(chan)氣燃(ran)爆風險評價(jia)以及電(dian)池(chi)系(xi)統泄(xie)放設(she)計。



參(can)考資(zi)料

[1]氣(qi)體燃(ran)爆泄放過程(cheng)中燃(ran)燒(shao)速率的評價(jia),《化學工業與工程(cheng)技術》Jun. 2005, Vol.26 No3, 吳冬輝,王淑(shu)蘭等(deng)。