280Ah磷酸鐵鋰電池熱失控產氣與火焰行為特性
引言
鋰離子電池由于其優(yōu)越的性能被廣泛應用于電化學儲能等領域。然而，儲能電站的火災爆炸事故已經成為近幾年來人們所關注的熱點話題。導致儲能電站發(fā)生事故的主要原因在于鋰離子電池內部材料的不穩(wěn)定性，進一步誘發(fā)電池發(fā)生熱失控產生大量氣體，甚至出現著火現象。雖然目前對鋰離子電池的熱失控產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氣和火焰行為特征，闡明其熱失控行為的危險性，為電化學儲能電站應急預案編制以及消防設計提供理論依據。
研究內容
中國科學技術大學火災科學國家重點實驗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，采用實驗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、質量變化等熱失控參數，從產氣行為和火焰行為兩個方面得到了熱失控的危險性，揭示了儲能用磷酸鐵鋰電池熱失控產氣和火焰行為危險性的表現形式。
研究結果與討論
（1）量化了電池熱失控過程的四個階段。根據電池表面溫度和溫升速率的關系，將電池熱失控過程分為四個階段：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)下電池熱失控過程的表面溫升速率變化曲線
（2）揭示產氣和火焰行為的危險性表現形式
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的電池產氣最高溫度分別為173.2℃、325.7℃，如圖2所示；通過實時測量氣體成分得到熱失控過程中產生大量的二氧化碳以及烷烴類可燃氣體，除此之外還存在大量的氫氣和有毒有害氣體，因此熱失控產氣行為的危險性主要表現在氣體的毒性、窒息性以及爆燃特性。
在儲能電站中如出現電火花大量的可燃氣體將會被點燃，由于火焰的存在將產生高溫煙氣以及熱輻射作用。根據電池上方不同高度的火焰溫度可知，最高溫度能達到750℃-900℃，如圖3所示，同時大量的電解液和可燃氣體燃燒釋放出大量的熱量，對周圍物品產生較強的熱輻射作用，因此熱失控火焰行為的危險性主要表現在高溫火焰以及強烈的熱輻射。
圖2 熱失控過程的產氣溫度、產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部熱失控蔓延擴散現象。電池熱失控過程出現多個質量損失速率峰值，如圖4所示。拆解熱失控后的電池發(fā)現內部存在四個卷芯，四個卷芯依次發(fā)生熱失控構成了整個電池熱失控的全過程，這與多個質量損失速率峰值相對應，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部熱失控擴散現象。
圖4 100%SOC磷酸鐵鋰電池熱失控過程質量損失變化曲線
圖5. 磷酸鐵鋰電池熱失控內部蔓延過程示意圖
