鋰電池熱失控產(chǎn)氣極限氧濃度研究

【預覽】本文利用爆炸極限試驗儀對磷酸鐵鋰電池單體（3.2V/265Ah）熱失控產(chǎn)氣的爆炸極限與極限氧濃度進(jìn)行了研究，相關(guān)爆炸特性參數可為儲能電站等應用場(chǎng)景的防爆抑爆設計提供理論依據。

一、前言

鋰離子電池熱失控過(guò)程會(huì )產(chǎn)生由多種可燃組分構成的混合氣體，這種熱解氣一旦被點(diǎn)燃會(huì )出現不可控的嚴重后果。測定鋰電池熱失控產(chǎn)氣的爆炸極限與極限氧濃度，可為儲能電站等爆炸性環(huán)境的氧濃度控制提供理論依據，有效預防爆炸和火災事故；也可為地下車(chē)庫等應用場(chǎng)景的通風(fēng)設計提供數據支持，提高公共安全性。

2021年1月12日上午6時(shí)23分（韓國當地時(shí)間）蔚山南區SK能源公司發(fā)生火災, 一幢三層電池儲能大樓被燒毀。

本次實(shí)驗選擇應用于儲能站的265Ah磷酸鐵鋰電芯，通過(guò)人工配氣模擬其熱失控所產(chǎn)生的混合氣體，并使用仰儀科技HWP21-30S型爆炸極限試驗儀進(jìn)行產(chǎn)氣爆炸特性研究。實(shí)驗結果表明，常溫常壓下電池產(chǎn)氣的爆炸下限（LEL）為6.80%，爆炸上限（UEL）為40.63%，極限氧濃度（LOC）為7.50%。

二、實(shí)驗部分

1. 樣品準備

（1）氮氣：純度不低于99.8 %（體積分數）。

（2）待測混合氣體：成分比例如下圖，用以模擬磷酸鐵鋰電芯熱失控所產(chǎn)生的混合氣體。

圖1 混合氣體組分含量

2. 實(shí)驗條件

實(shí)驗儀器：仰儀科技HWP21-30S爆炸極限試驗儀

試驗模式：氣體試樣

試驗容器體積：5L

環(huán)境壓力：101.29kPa

攪拌時(shí)間：5min

點(diǎn)火溫度：20℃

二次控溫：是

圖2 (a) HWP21-30S爆炸極限試驗儀; (b) 實(shí)驗裝置現場(chǎng)圖

3. 測試方法

（1）爆炸極限測定

參見(jiàn)GB/T 21844-2008 化合物(蒸氣和氣體)易燃性濃度限值的標準試驗方法；GB/T 12474-2008空氣中可燃氣體爆炸極限測定方法。

（2）極限氧濃度測定

參見(jiàn)GB/T 38301-2019可燃氣體或蒸氣極限氧濃度測定方法。

三、實(shí)驗結果

1. 燃燒判定標準

根據GB/T 21844-2008 化合物(蒸氣和氣體)易燃性濃度限值的標準試驗方法中提到的火焰的傳播的定義：在本試驗中，火焰前沿從點(diǎn)火源向上或向外到達器壁或至少離器壁13mm處的運動(dòng)過(guò)程。向外擴散運動(dòng)說(shuō)明火焰前沿存在水平分量。

圖3 待測混合氣體被點(diǎn)燃的判定標準

注：距離器壁13mm處用紅色圓圈表示。

2. 爆炸極限實(shí)驗結果

（1）爆炸下限

進(jìn)行爆炸下限測試時(shí)，測得zui jie jin火焰傳播和火焰不傳播時(shí)的實(shí)驗效果如實(shí)驗錄像1所示，可以計算爆炸下限LEL=0.5×(6.526+7.077)%=6.80%。

實(shí)驗錄像1 (a) 火焰不傳播X_TS =6.526%; (b) 火焰傳播X_TS =7.077%

（2）爆炸上限

進(jìn)行爆炸上限測試時(shí)，測得zui jie jin火焰傳播和火焰不傳播時(shí)的實(shí)驗效果如下，可以計算爆炸上限UEL=0.5×(41.043+40.225)%=40.63%。

實(shí)驗錄像2 (a) 火焰不傳播X_TS =41.043%; (b) 火焰傳播X_TS  =40.225%

3. 極限氧濃度實(shí)驗結果

極限氧濃度可利用三元圖進(jìn)行分析，根據GB/T 38301-2019，當UEL≤ 0.8 × (100-X_air，L)，適用簡(jiǎn)易實(shí)驗程序。

圖4 電池產(chǎn)氣極限氧濃度三元圖

如圖4所示，通過(guò)程序實(shí)驗逐步確定爆炸區頂點(diǎn)空氣體積分數（X_air，L），并測定0.8倍頂點(diǎn)惰性氣體體積分數（0.8 X_in，L）的混合氣體爆炸極限，以驗證極限空氣濃度LAC位于爆炸區頂點(diǎn)，此時(shí)：

LAC = X_air，L = 35.89％

隨后可通過(guò)公式計算混合氣體的極限氧濃度：

LOC = LAC × 0.209 = 7.50％

待測混合氣體的三元圖既可以確定極限氧濃度，也可以表征爆炸區范圍，反映電池產(chǎn)氣的爆炸區臨界濃度分布規律。

四、結論

本文利用爆炸極限試驗儀測定了大容量磷酸鐵鋰電池單體熱失控產(chǎn)氣的極限氧濃度。以該數據為基礎，通過(guò)提高惰性氣體濃度或降低氧濃度進(jìn)行抑爆設計，可以有效預防爆炸風(fēng)險，提高儲能電站等應用場(chǎng)景的安全性。