280Ah磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣與火焰行為特性
引言
鋰離子電池由于其優(yōu)越的性能被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)儲能等領(lǐng)域。然而，儲能電站的火災(zāi)爆炸事故已經(jīng)成為近幾年來人們所關(guān)注的熱點(diǎn)話題。導(dǎo)致儲能電站發(fā)生事故的主要原因在于鋰離子電池內(nèi)部材料的不穩(wěn)定性，進(jìn)一步誘發(fā)電池發(fā)生熱失控產(chǎn)生大量氣體，甚至出現(xiàn)著火現(xiàn)象。雖然目前對鋰離子電池的熱失控產(chǎn)氣和火焰特性的研究較多，但是研究對象集中在中小型容量的電池，對于儲能用磷酸鐵鋰電池的熱失控特性研究相對較少。因此，本研究旨在分析磷酸鐵鋰電池的熱失控產(chǎn)氣和火焰行為特征，闡明其熱失控行為的危險(xiǎn)性，為電化學(xué)儲能電站應(yīng)急預(yù)案編制以及消防設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
研究內(nèi)容
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王青松課題組與安徽電科院以280Ah磷酸鐵鋰電池為研究對象，采用實(shí)驗(yàn)方法研究了儲能用磷酸鐵鋰電池在過熱情況下的熱失控行為特征，分析了不同荷電狀態(tài)的電池表面溫度、質(zhì)量變化等熱失控參數(shù)，從產(chǎn)氣行為和火焰行為兩個(gè)方面得到了熱失控的危險(xiǎn)性，揭示了儲能用磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣和火焰行為危險(xiǎn)性的表現(xiàn)形式。
研究結(jié)果與討論
（1）量化了電池?zé)崾Э剡^程的四個(gè)階段。根據(jù)電池表面溫度和溫升速率的關(guān)系，將電池?zé)崾Э剡^程分為四個(gè)階段：加熱階段、熱失控孕育階段、熱失控階段以及冷卻降溫階段，如圖1所示。電池表面溫度主要受荷電狀態(tài)的影響，而產(chǎn)生的氣體或者火焰輻射對電池本身溫度影響較少。
圖1 不同荷電狀態(tài)下電池?zé)崾Э剡^程的表面溫升速率變化曲線
（2）揭示產(chǎn)氣和火焰行為的危險(xiǎn)性表現(xiàn)形式
通過分析電池上方不同高度的氣體溫度可知，隨著高度的增加，氣體溫度逐漸下降，對于50%和100%SOC的電池產(chǎn)氣最高溫度分別為173.2℃、325.7℃，如圖2所示；通過實(shí)時(shí)測量氣體成分得到熱失控過程中產(chǎn)生大量的二氧化碳以及烷烴類可燃?xì)怏w，除此之外還存在大量的氫氣和有毒有害氣體，因此熱失控產(chǎn)氣行為的危險(xiǎn)性主要表現(xiàn)在氣體的毒性、窒息性以及爆燃特性。
在儲能電站中如出現(xiàn)電火花大量的可燃?xì)怏w將會被點(diǎn)燃，由于火焰的存在將產(chǎn)生高溫?zé)煔庖约盁彷椛渥饔?。根?jù)電池上方不同高度的火焰溫度可知，最高溫度能達(dá)到750℃-900℃，如圖3所示，同時(shí)大量的電解液和可燃?xì)怏w燃燒釋放出大量的熱量，對周圍物品產(chǎn)生較強(qiáng)的熱輻射作用，因此熱失控火焰行為的危險(xiǎn)性主要表現(xiàn)在高溫火焰以及強(qiáng)烈的熱輻射。
圖2 熱失控過程的產(chǎn)氣溫度、產(chǎn)氣組分以及占比情況（除H2外）
圖3 熱失控過程的火焰溫度以及熱熱失控速率變化曲線
（3）大容量磷酸鐵鋰電池存在內(nèi)部熱失控蔓延擴(kuò)散現(xiàn)象。電池?zé)崾Э剡^程出現(xiàn)多個(gè)質(zhì)量損失速率峰值，如圖4所示。拆解熱失控后的電池發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在四個(gè)卷芯，四個(gè)卷芯依次發(fā)生熱失控構(gòu)成了整個(gè)電池?zé)崾Э氐娜^程，這與多個(gè)質(zhì)量損失速率峰值相對應(yīng)，如圖5所示，因此大容量磷酸鐵鋰電池的熱失控過程存在明顯的內(nèi)部熱失控?cái)U(kuò)散現(xiàn)象。
圖4 100%SOC磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э剡^程質(zhì)量損失變化曲線
圖5. 磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э貎?nèi)部蔓延過程示意圖
