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摘 要 頻發(fā)的鋰離子電池火災(zāi)事故對(duì)分布式儲(chǔ)能鋰電池組的應(yīng)用產(chǎn)生了巨大影響。深度冷卻和持續(xù)降溫是抑制并解決電池火災(zāi)的關(guān)鍵。為了探究多孔防火材料對(duì)液氮滅火效能的增強(qiáng)作用，搭建了儲(chǔ)能模組火災(zāi)液氮滅火實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)在儲(chǔ)能模組內(nèi)鋪設(shè)多孔防火材料的方式研究了玻璃棉、納米氣凝膠、硅酸鋁陶瓷纖維和防火海綿四種多孔防火材料與液氮協(xié)同作用對(duì)模組內(nèi)鋰電池組火災(zāi)的滅火效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相同液氮用量條件下，與單獨(dú)噴射液氮相比，在模組內(nèi)加裝多孔防火材料可以有效提升液氮的滅火效能。液氮與納米氣凝膠協(xié)同作用時(shí)，熱失控電池表面回升最高溫度僅為28 ℃，比液氮單獨(dú)作用時(shí)降低了63 ℃，其余三種工況的電池表面回升溫度也均低于液氮單獨(dú)作用。此外，多孔防火材料的鋪設(shè)方式對(duì)液氮滅火效能影響明顯，材料側(cè)壁鋪設(shè)對(duì)熱失控電池組的滅火效果優(yōu)于底面鋪設(shè)。本研究結(jié)果可為儲(chǔ)能模組鋰電池滅火技術(shù)提供參考。
關(guān)鍵詞 鋰電池；熱失控；多孔防火材料；滅火效能
隨著儲(chǔ)能行業(yè)的快速發(fā)展，儲(chǔ)能用鋰離子電池的應(yīng)用規(guī)模越來(lái)越大。在儲(chǔ)能領(lǐng)域鋰離子電池通常以電池模組、電池簇的形式存在。然而，這種應(yīng)用方式存在一個(gè)嚴(yán)重的隱患，即一旦電池發(fā)生熱失控，若未能及時(shí)干預(yù)，則熱失控(thermal runaway,TR)將不可避免地傳播，最終可能導(dǎo)致電池模組、電池簇甚至儲(chǔ)能預(yù)制艙發(fā)生火災(zāi)。鋰離子電池的火災(zāi)和爆炸危險(xiǎn)性成為制約儲(chǔ)能大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)重要問(wèn)題。
迄今為止，許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)液氮、相變材料等在抑制鋰電池火災(zāi)及熱失控傳播方面進(jìn)行了研究。液氮作為一種優(yōu)秀的冷卻劑，由于其出色的制冷效果，在礦山、工業(yè)、生物等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。液氮汽化初溫為-195.8 ℃，不僅能在汽化過(guò)程中吸收大量熱量，而且能迅速降低燃燒溫度。此外，液氮接觸火焰時(shí)會(huì)快速膨脹和汽化，從而在燃燒空間內(nèi)形成正壓，阻止新鮮空氣進(jìn)入，達(dá)到良好的滅火效果。同時(shí)，液氮也是一種“清潔滅火劑”，滅火后不產(chǎn)生殘留物和有毒有害氣體，具有顯著的環(huán)保特性。因此，液氮已逐漸應(yīng)用于鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，以抑制鋰電池?zé)崾Э貍鞑?。Cao等證實(shí)了液氮不同噴霧方向和噴霧時(shí)間抑制不同荷電狀態(tài)和加熱功率的鋰離子電池?zé)崾Э氐挠行?。結(jié)果表明，液氮對(duì)電池?zé)崾Э鼐哂辛己玫囊种谱饔茫囯x子電池表面的平均冷卻速率隨加熱功率的增加而降低。Huang等研究了液氮對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э氐囊种?、延遲和冷卻效果，此外，還定量分析了液氮對(duì)高溫鋰離子電池的冷卻機(jī)制和冷卻能力，結(jié)果顯示，在電池表面溫度達(dá)到臨界熱失控抑制溫度之前施加液氮可以防止熱失控。Wang等研究了液氮注射方式對(duì)鋰電池?zé)崾Э靥匦缘挠绊懀Y(jié)果表明，間歇式和連續(xù)式液氮噴射方法均能有效防止TR，間歇噴射的有效吸熱率比連續(xù)噴射高約10%。Huang等研究了液氮對(duì)不同階段熱失控電池的冷卻降溫能力，結(jié)果表明液氮對(duì)阻止不同階段電池?zé)崾Э貍鞑ケ憩F(xiàn)出出色的冷卻預(yù)防和延遲能力，在液氮應(yīng)用過(guò)程中，單個(gè)電池的最大冷卻速率和最大冷卻功率分別達(dá)到34.25 ℃/s和1529.6 W。Jiang等研究了氮?dú)夂图?xì)水霧兩相流對(duì)鋰離子電池組熱失控傳播的抑制效果，結(jié)果表明，氮?dú)夂图?xì)水霧兩相流具有良好的冷卻效果和隔氧效果，可以抑制電池的熱失控，阻斷熱失控在鋰電池模組中的傳播。
多孔材料具有質(zhì)量輕、多孔、耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，可以阻斷液氮與環(huán)境的熱交換，減少液氮與外部環(huán)境的熱量傳遞。為了抑制鋰電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的火焰和熱量影響相鄰電池及電池模組，許多學(xué)者對(duì)阻隔材料抑制電池?zé)崾Э貍鞑ミM(jìn)行了研究。Yuan等研究了填充不同阻隔材料(鋁板、石墨復(fù)合片和鋁擠壓板三種阻隔材料)對(duì)電池模塊安全性的增強(qiáng)方法，結(jié)果表明，不同阻隔材料對(duì)相鄰電池之間熱失控傳播的影響差異很大。石墨復(fù)合片和鋁擠壓板作為阻隔材料可以有效抑制TR的傳播。Weng等研究了相變阻燃材料和氣凝膠氈對(duì)電池?zé)崾Э貍鞑サ淖韪粜Ч?，結(jié)果表明，氣凝膠氈在延緩電池?zé)崾Э胤矫姹憩F(xiàn)出優(yōu)異的性能。Chen等整理了阻燃相變材料對(duì)提高鋰電池安全性能的研究，阻燃相變材料可以保證鋰離子電池使用過(guò)程的安全性，在抑制電池?zé)崾Э胤矫婢哂袕V闊的應(yīng)用前景。Yang等提出了一種由復(fù)合相變材料與碳纖維骨架支撐材料和碳纖維導(dǎo)熱墊片組成的新型電池?zé)崂鋮s模塊，研究表明，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)與電池冷卻模塊和碳纖維導(dǎo)熱墊片的聯(lián)合使用具有良好的降溫和冷卻效果。Zhu等研究了多孔材料和細(xì)水霧對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э丶捌鋫鞑サ囊种谱饔茫Y(jié)果表明，通過(guò)預(yù)保溫和后續(xù)散熱的協(xié)同機(jī)制，在多孔材料和細(xì)水霧的協(xié)同作用下，可以獲得良好的抑制效果。
綜上所述，液氮作為鋰電池火災(zāi)滅火劑具有廣泛的適用性，然而，尚需解決如何進(jìn)一步提升其滅火效率的問(wèn)題。多孔防火材料雖然能阻隔熱量在電池間的傳遞，但不能直接應(yīng)用于鋰電池火災(zāi)滅火。因此，為了探索更為先進(jìn)的滅火方法，本研究開(kāi)展了儲(chǔ)能模組內(nèi)液氮和多孔防火材料協(xié)同滅火實(shí)驗(yàn)。利用多孔防火材料的隔熱作用，減少液氮與環(huán)境之間的換熱，進(jìn)而增強(qiáng)液氮的滅火效能；此外，本研究還探討了多孔防火材料不同鋪設(shè)方式對(duì)液氮滅火效能的影響，以期為儲(chǔ)能模組火災(zāi)滅火技術(shù)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐和理論參考。
1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
本實(shí)驗(yàn)研究了儲(chǔ)能模組內(nèi)不同防火材料和不同材料鋪設(shè)方式對(duì)液氮滅火效能的增強(qiáng)作用，搭建了儲(chǔ)能模組火災(zāi)液氮滅火實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，包括電池燃燒平臺(tái)、液氮滅火裝置以及數(shù)據(jù)采集裝置。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
實(shí)驗(yàn)選用方形鋁殼磷酸鐵鋰電池，額定容量20 Ah，額定電壓3.6 V，電池單體尺寸為27 mm×70 mm×180 mm，實(shí)驗(yàn)電池荷電狀態(tài)均為100%。實(shí)驗(yàn)電池組由2塊電池串聯(lián)而成。實(shí)驗(yàn)中采用加熱板作為外部熱源以誘發(fā)電池發(fā)生熱失控，加熱板功率為500 W，電池發(fā)生熱失控后停止加熱。加熱板和電池由特制電池夾具緊密固定，加熱片及電池排列固定方式如圖2(a)所示。實(shí)驗(yàn)使用脈沖式電火花打火器對(duì)熱失控電池產(chǎn)生的煙氣及電解液進(jìn)行引燃。實(shí)驗(yàn)選用K型熱電偶測(cè)量電池表面的溫度變化。其響應(yīng)時(shí)間為0.5 s，溫度測(cè)量范圍為-200~1200 ℃，測(cè)量精度為1 ℃。熱電偶布置方式如圖2(b)所示，其中TC1為電池A與加熱片接觸面的溫度測(cè)點(diǎn)，TC2為電池A非加熱面的溫度測(cè)點(diǎn)，TC3為電池B加熱面的溫度測(cè)點(diǎn)，TC4為電池B非加熱面的溫度測(cè)點(diǎn)，TC5為電池PACK內(nèi)部空間的溫度測(cè)點(diǎn)，TC6為電池PACK外壁的溫度測(cè)點(diǎn)。
圖2 (a) 電池固定方式； (b) 熱電偶布置
實(shí)驗(yàn)所用液氮滅火裝置由液氮儲(chǔ)罐、驅(qū)動(dòng)氣瓶、輸送管路和噴頭組成。工作時(shí)驅(qū)動(dòng)壓力為2.5 MPa，流量為10 L/min，液氮噴口直徑為8 mm。液氮噴口距離電池約10 cm，以確保液氮能夠覆蓋電池的整個(gè)表面。實(shí)驗(yàn)時(shí)，熱失控電池出現(xiàn)明火立即噴放液氮。
為更好地在電池模組內(nèi)應(yīng)用，選用的多孔防火材料應(yīng)具有質(zhì)量輕、耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)選用的多孔防火材料有玻璃棉、納米多孔氣凝膠、硅酸鋁陶瓷纖維和防火海綿。四種材料的物性參數(shù)如表1所示。多孔防火材料布置在電池模組內(nèi)壁，厚度為10 mm。
表1 材料物性參數(shù)
試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)如表2所示。首先研究了20 Ah磷酸鐵鋰電池組的火災(zāi)特性(工況0)，接著研究了8 kg液氮對(duì)20 Ah磷酸鐵鋰電池火災(zāi)滅火效能(工況1)，接著研究了液氮和多孔防火材料側(cè)壁鋪設(shè)協(xié)同滅火效果(工況3、5、7、9)，最后研究了液氮和多孔防火材料底面鋪設(shè)協(xié)同滅火效果(工況2、4、6、8)。
表2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)
2 結(jié)果與討論
2.1 磷酸鐵鋰電池組火災(zāi)行為特性
首先進(jìn)行儲(chǔ)能模組內(nèi)磷酸鐵鋰電池組火災(zāi)行為特性試驗(yàn)。在工況0中，本工作研究了磷酸鐵鋰電池組的火災(zāi)行為特征。方形磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э剡^(guò)程分為以下4個(gè)階段：受熱膨脹階段、泄壓初爆階段、噴射火階段、陰燃階段。在沒(méi)有滅火劑作用時(shí)，鋰電池組內(nèi)電池會(huì)相繼發(fā)生熱失控。
在受熱膨脹階段，鋰離子電池受到外部熱源持續(xù)加熱，內(nèi)部電解液汽化，固體電解質(zhì)界面膜(SEI膜)分解，正負(fù)極活性材料與電解液持續(xù)發(fā)生反應(yīng)，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量可燃?xì)怏w。電池在加熱過(guò)程中產(chǎn)生的可燃?xì)怏w在電池內(nèi)部積聚，使得電池內(nèi)部壓力不斷升高，池體發(fā)生形變膨脹。當(dāng)電池內(nèi)部積聚的氣體超過(guò)一定壓力時(shí)泄壓閥打開(kāi)，向外噴出大量可燃?xì)怏w和少量電解液蒸氣，可燃?xì)怏w遇高溫發(fā)生燃燒，出現(xiàn)初爆現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的熱量積聚，電池內(nèi)部發(fā)生完全熱失控，出現(xiàn)劇烈的產(chǎn)熱、產(chǎn)氣行為，可見(jiàn)劇烈明火及大量煙氣通過(guò)泄壓閥噴出，引起環(huán)境溫度的明顯升高。此后，電池結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，內(nèi)部能量完全釋放，電池?zé)崾Э亻_(kāi)始減弱直至結(jié)束，明火消失，進(jìn)入陰燃階段。工況0電池表面溫度變化如圖3所示。
圖3 20 Ah磷酸鐵鋰電池組熱失控過(guò)程表面溫度變化
2.2 液氮滅火效能
工況1為儲(chǔ)能模組內(nèi)液氮滅火實(shí)驗(yàn)。當(dāng)電池A在1440 s時(shí)進(jìn)入急劇熱失控階段后噴放液氮，注氮量為8 kg，液氮作用2 s后明火消失。結(jié)束噴放后，電池A、B表面溫度快速上升，電池B雖無(wú)明火出現(xiàn)，但泄壓閥向外噴出少量可燃?xì)怏w及電解液蒸氣。
工況1電池表面溫度變化如圖4所示。電池A在1428 s溫度達(dá)到154 ℃后初爆，在1440 s時(shí)進(jìn)入急劇熱失控狀態(tài)，1482 s噴放液氮，電池A表面溫度從247 ℃下降至9 ℃。液氮噴放結(jié)束后電池A表面溫度迅速上升，峰值溫度為91 ℃。電池B在噴放液氮后表面溫度由200℃降至-8 ℃。停止液氮噴放后，電池B表面溫度上升，在1841 s時(shí)泄壓閥破裂發(fā)生泄壓，噴出少量可燃?xì)怏w及電解液蒸氣，未產(chǎn)生明火。與工況0相比，工況1中熱失控電池A峰值溫度大幅降低，說(shuō)明8 kg液氮可以有效降低鋰電池?zé)崾Э胤逯禍囟?。但噴放結(jié)束后電池A、B溫度迅速回升，分別為91 ℃、61 ℃。停止液氮噴放時(shí)電池模組內(nèi)外溫差為32 ℃，結(jié)束液氮噴放后箱體內(nèi)部溫度迅速上升，最終箱體內(nèi)外溫度升至室溫。
圖4 液氮作用時(shí)電池表面及箱體內(nèi)外溫度變化
2.3 多孔防火材料和液氮協(xié)同滅火效果
本研究通過(guò)把多孔防火材料鋪設(shè)在儲(chǔ)能模組內(nèi)不同位置來(lái)研究其與液氮的協(xié)同滅火效果，采用了側(cè)壁鋪設(shè)與底面鋪設(shè)兩種形式，對(duì)協(xié)同作用后熱失控電池表面溫度、熱失控電池的冷卻時(shí)間及滅火后熱失控電池表面回升的最高溫度等參數(shù)進(jìn)行研究分析。
2.3.1 多孔防火材料側(cè)壁鋪設(shè)
工況3、5、7、9為多孔材料側(cè)壁鋪設(shè)與液氮協(xié)同滅火實(shí)驗(yàn)。以相同的方法誘導(dǎo)電池A發(fā)生熱失控。多孔材料鋪設(shè)在電池模組側(cè)壁，當(dāng)電池A發(fā)生急劇熱失控時(shí)，立即噴灑液氮，液氮噴灑量為8 kg。四種工況下電池表面溫度變化如圖5(a)~(d)所示。
圖5 電池表面及箱體內(nèi)外溫度變化 (a) 玻璃棉側(cè)鋪電池表面及箱體內(nèi)外溫度變化； (b) 納米氣凝膠側(cè)鋪電池表面及箱體內(nèi)外溫度變化； (c) 硅酸鋁陶瓷纖維側(cè)鋪電池表面及箱體內(nèi)外溫度變化； (d) 防火海綿側(cè)鋪電池表面及箱體內(nèi)外溫度變化
在工況1中，當(dāng)液氮單獨(dú)作用時(shí)，電池A的降溫冷卻時(shí)間為244 s。而在工況3、5、7、9中，電池的降溫冷卻時(shí)間分別為370 s、438 s、286 s、313 s，相對(duì)于工況1分別延長(zhǎng)了51.6%、79.5%、17.2%、28.3%。這是因?yàn)樵诠r1中，液氮與外部環(huán)境的換熱作用明顯，部分液氮與外部環(huán)境進(jìn)行了熱量交換，導(dǎo)致作用于熱失控電池的液氮量減少，從而縮短了電池的降溫時(shí)間。而在工況3、5、7、9中，由于鋪設(shè)了多孔防火材料，減弱了液氮與環(huán)境的換熱作用，使更多的液氮可以充分冷卻熱失控電池，從而使降溫時(shí)間更長(zhǎng)。其中，液氮與硅酸鋁陶瓷纖維的降溫冷卻時(shí)間最短為286 s，液氮與納米氣凝膠的降溫冷卻時(shí)間最長(zhǎng)為438 s。
停止液氮作用后，各工況下電池表面溫度均有不同程度的回升。工況3、5、7、9中，電池表面回升的最高溫度分別為60 ℃、28 ℃、39 ℃、32 ℃，相對(duì)于工況1分別降低了31 ℃、63 ℃、52 ℃、59 ℃。這說(shuō)明了多孔防火材料對(duì)液氮滅火效能具有提升作用。除工況3外，其余三種工況電池表面回升的最高溫度均低于50 ℃，表明多孔防火材料與8 kg液氮協(xié)同作用可以完全阻斷20 Ah磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э氐陌l(fā)展，并使熱失控電池溫度處于安全的溫度區(qū)間。停止噴放液氮后，電池模組內(nèi)外溫差也各不相同，工況3、5、7、9中停止噴放液氮時(shí)電池模組內(nèi)外的溫差分別為119 ℃、103 ℃、100 ℃、77 ℃，其中工況3的溫差最大，工況9的溫差最小。
四種工況中，電池B表面溫度隨著電池A表面溫度的上升而緩慢上升，當(dāng)電池A出現(xiàn)明火，噴射液氮開(kāi)始作用時(shí)，電池B表面溫度達(dá)到最高點(diǎn)后開(kāi)始下降。工況3、5、7、9中，電池B降溫冷卻時(shí)間分別為311 s、388 s、282 s和317 s，液氮噴灑結(jié)束后電池B表面回升最高溫度分別為47 ℃、14 ℃、25 ℃、24 ℃。電池B表面回升最高溫度相較于電池A均有不同程度的降低，主要原因是電池B未發(fā)生劇烈的熱失控行為，其溫度變化幅度較小。五種工況下電池A和電池B的冷卻時(shí)間及電池表面回升的最高溫度如表3所示。
表3 電池A和B關(guān)鍵參數(shù)表
2.3.2 多孔防火材料底面鋪設(shè)
工況2、4、6、8為多孔材料底面鋪設(shè)與液氮協(xié)同滅火實(shí)驗(yàn)。四種工況下電池表面的溫度變化如圖6(a)~(d)所示。
圖6 電池表面及箱體內(nèi)外溫度變化 (a) 玻璃棉底鋪； (b) 納米氣凝膠底鋪； (c) 硅酸鋁陶瓷纖維底鋪； (d) 防火海綿底鋪
工況2、4、6、8中電池A的降溫冷卻時(shí)間分別為367 s、406 s、280 s、305 s，相較于液氮單獨(dú)作用時(shí)降溫冷卻時(shí)間增長(zhǎng)50.4%、66.4%、14.8%、25.0%；結(jié)束噴灑后電池A回升的最高溫度分別為74 ℃、38 ℃、49 ℃、44 ℃，相較于工況1分別降低了17 ℃、53 ℃、42 ℃、47 ℃。電池B降溫冷卻時(shí)間分別為364 s、408 s、275 s和301 s，液氮噴灑結(jié)束后電池B表面回升最高溫度分別為25 ℃、12 ℃、18 ℃、20 ℃。相同材料在不同鋪設(shè)方式下的實(shí)驗(yàn)效果存在差異。這是由于液氮汽化后產(chǎn)生的低溫氮?dú)庠茍F(tuán)在模組內(nèi)狹小空間中與模組側(cè)壁接觸更充分，所以與環(huán)境的換熱作用更強(qiáng)，雖然底面的多孔防火材料減少了液氮通過(guò)模組底面與環(huán)境的換熱，但與側(cè)壁鋪設(shè)相比，這種減弱作用不足，所以電池A在相同材料不同鋪設(shè)方式下的降溫冷卻時(shí)間及電池回升的最高溫度均存在差異。底面鋪設(shè)停止液氮噴放時(shí)模組內(nèi)外溫差分別為70 ℃、40 ℃、36 ℃、39 ℃，與側(cè)壁鋪設(shè)也存在較大差異，這也進(jìn)一步證明了側(cè)壁鋪設(shè)時(shí)液氮與外部環(huán)境的換熱作用減弱明顯，從而使液氮的滅火效果顯著增強(qiáng)。五種工況下電池A和電池B的冷卻時(shí)間及電池表面回升的最高溫度如表4所示。
表4 電池A和B關(guān)鍵參數(shù)表
選八種工況中電池A降溫冷卻時(shí)間、停止注氮后電池回升的最高溫度以及停止注氮時(shí)箱體內(nèi)外最大溫差三個(gè)參數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)三個(gè)參數(shù)做統(tǒng)一評(píng)分處理，數(shù)據(jù)處理方式如式(1)和式(2)所示。表5為各參數(shù)處理后的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
表5 評(píng)價(jià)取值表
式(1)中Tmax為側(cè)面或底面鋪設(shè)時(shí)四種工況中溫度的最大值，單位為℃；T1為工況1中對(duì)應(yīng)參數(shù)溫度的值，單位為℃。式(2)中tmax為側(cè)面或底面鋪設(shè)時(shí)四種工況中時(shí)間的最大值，單位為s；t1為工況1中對(duì)應(yīng)參數(shù)時(shí)間的值，單位為s。
四種材料在不同鋪設(shè)方式下與液氮協(xié)同作用的關(guān)鍵參數(shù)如表6所示。應(yīng)用上述評(píng)價(jià)方法對(duì)兩種鋪設(shè)方式下四種材料對(duì)電池A的滅火效能比對(duì)如圖7所示。由圖7可知四種材料與液氮的協(xié)同作用各不相同，側(cè)壁鋪設(shè)時(shí)四種材料協(xié)同效果由好到差的順序?yàn)椋杭{米氣凝膠>玻璃棉>硅酸鋁陶瓷纖維>防火海綿；底面鋪設(shè)時(shí)四種材料協(xié)同效果由好到差的順序?yàn)椋杭{米氣凝膠>玻璃棉>防火海綿>硅酸鋁陶瓷纖維。
表6 電池A的關(guān)鍵參數(shù)
圖7 材料關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比雷達(dá)圖 (a)側(cè)壁鋪設(shè)；(b)底面鋪設(shè)
綜上所述，多孔防火材料與液氮協(xié)同滅火作用顯著。多孔防火材料可以減弱液氮與外部環(huán)境的換熱作用，從而進(jìn)一步增強(qiáng)液氮對(duì)熱失控電池的冷卻降溫效果。其中，側(cè)壁鋪設(shè)方式優(yōu)于底面鋪設(shè)，側(cè)壁鋪設(shè)顯著地減弱了液氮與外部環(huán)境的換熱作用。玻璃棉、納米氣凝膠、硅酸鋁陶瓷纖維、防火海綿均適用于鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，且側(cè)壁鋪設(shè)時(shí)四種材料與液氮的協(xié)同效果由好到差為的順序?yàn)椋杭{米氣凝膠、玻璃棉、硅酸鋁陶瓷纖維、防火海綿。在協(xié)同作用下，多孔材料首先起到阻隔液氮和環(huán)境熱交換的作用，然后液氮起到冷卻和滅火的作用，確保電池組安全。
3 結(jié) 論
本研究采用不同的多孔防火材料，并結(jié)合不同的鋪設(shè)方式與液氮協(xié)同應(yīng)用于鋰電池火災(zāi)抑制。研究分析了納米氣凝膠、玻璃棉、硅酸鋁陶瓷纖維、防火海綿對(duì)液氮滅火效果的增強(qiáng)作用，以及相同材料在不同鋪設(shè)方式下與液氮協(xié)同滅火效果的差異?；诜治鼋Y(jié)果，得出以下結(jié)論：
（1）8 kg液氮可以迅速撲滅20 Ah磷酸鐵鋰電池組火災(zāi)，并且使鋰電池峰值溫度降低了98 ℃，但8 kg液氮對(duì)熱失控電池組的降溫冷卻效果有限，停止注氮后電池表面溫度回升最高至91 ℃。
（2）多孔防火材料的應(yīng)用對(duì)液氮的滅火效能有明顯的提高。其中納米氣凝膠側(cè)壁鋪設(shè)時(shí)對(duì)液氮滅火效能的增強(qiáng)效果最好，電池的降溫冷卻時(shí)間比液氮單獨(dú)作用時(shí)延長(zhǎng)79.5%，液氮噴放結(jié)束后電池表面回升的最高溫度比液氮單獨(dú)作用時(shí)降低了63 ℃。
（3）相同材料在不同鋪設(shè)方式下的表現(xiàn)為：側(cè)壁鋪設(shè)優(yōu)于底面鋪設(shè)，四種材料側(cè)壁鋪設(shè)時(shí)電池表面回升的最高溫度分別比底面鋪設(shè)時(shí)低14 ℃、10 ℃、10 ℃、12 ℃；側(cè)壁鋪設(shè)時(shí)四種材料協(xié)同效果由好到差的順序?yàn)椋杭{米氣凝膠>玻璃棉>硅酸鋁陶瓷纖維>防火海綿；底面鋪設(shè)時(shí)四種材料的協(xié)同效果由好到差的順序?yàn)椋杭{米氣凝膠>玻璃棉>防火海綿>硅酸鋁陶瓷纖維。
