文章来源：中国民用航空飞行学院民航安全工程学院本文利用动压变温舱来模拟航空运输的低气压环境，开展软包锂离子电池在低气压及不同热辐射方式下的热失控实验。采集电池热失控过程当中的上下表面中心温度、火焰温度和火焰行为，探测并分析热释放速率（HRR）、总释热量（THR）和耗氧量，以及喷射烟气成分和浓度变化，以期为今后使用软包锂离子电池系列产品时，在使用不当和航空运输期间造成热滥用后的热安全防护提供参考。1实验1.1实验样品实验所采用的电池样品为卷绕型软包锂离子电池（深圳产），正极材料为Li(Ni0.5Mn0.3C0.2)O2，负极材料为石墨。实验所用样品电池额定电压为3.70V，容量为mAh，标准充放电的电压为4.20~2.75V。在进行实验前，用BT-C电池测试系统（湖北产），按照标准充电工步（先以0.20C恒流充电至电压为4.20V，转为恒压充电，至电流小于0.02C停止充电）将电池充至SOC为%，再将充好电的电池在恒温箱（室温26℃）静止24h，保证电池的稳定性。1.2实验平台及方案实验在低气压环境的动压变温舱（2m×2m×2m）内进行。通过量热仪和ISO-烟气分析仪（苏州产）的联用，探测电池热失控过程中的HRR、THR、耗氧量，以及测量喷射烟气成分（CO2、CO和CxHy）和浓度变化。在电池上下表面中心位置设置K型铠装热电偶（常州产），另外在电池极耳一侧mm处也布置温度传感器，用于探测火焰温度变化情况。用XMB无纸记录仪（杭州产）采集温度数据，动压变温舱示意图如图1所示。为模拟不同低气压条件，通过动压变温舱来实现，分别设置4个气压值（30kPa、50kPa、70kPa和90kPa）。模拟外部辐射的加热器采用环形加热器，分别将样品电池至于环形加热器的底部和中间位置进行实验。2结果与讨论2.1热失控温度与燃烧行为通过电池上下表面中心的温度传感器T1、T2来采集电池的表面温度和热失控临界温度，如图2和表1所示。对比发现，不同低气压条件下，底部接触加热时的峰值温度均高于中部辐射加热，最大可高出58.0℃（50kPa时）。另外，上下表面触发热失控的临界温度随气压的降低，而呈现一致上升趋势，从表1可知，中部辐射加热的热失控临界温度比底部接触加热高，在90kPa时的差值为.0℃。电池极耳前方mm处的温度传感器T3所采集的火焰温度曲线如图3所示。从图3可知，在不同的气压条件下，底部接触加热和中部辐射加热的射流火焰温度变化不大。底部接触加热时，火焰温度维持在.0℃左右，中部辐射加热时维持在.0℃左右，而底部接触加热时的喷射火焰温度比中部平均高出.0℃左右。从射流火焰温度曲线看，依然是底部接触加热时，表现出更高的高温热危害性。热失控火行为大致分为III个过程：阴燃过程、引燃燃爆过程和衰减熄灭过程。I）阴燃过程主要现象为电池受热膨胀并喷出小股烟雾；II）引燃燃爆过程表现为前期喷出的小股烟雾中包含的可燃气体被点燃，进行短时间的燃烧，随着电池温度的继续升高和可燃气体的不断积聚，最终导致电池发生大面积的喷发而爆发热失控；III）衰减熄灭过程表现为，随着产生的可燃气体和喷射的电池残留物燃烧殆尽，火焰逐渐变小直至熄灭，温度持续降低热失控结束。2.2耗氧量与热释放分析氧气消耗量的大小可以反映电池发生热失控过程当中燃爆的剧烈程度，以及电池燃烧的强弱特性。具体参数如图6所示。对比发现，底部接触加热要比中部辐射加热的耗氧量多，说明底部接触加热的条件下，电池燃烧较中部辐射加热时强烈。这可能是因为底部接触加热时，温升更快，电极和电解液参与反应的活性更强，结合氧气的能力更强。HRR是可燃物在燃烧时的典型热特性参数，同时还是可燃物燃烧强烈程度的主要参数之一，本实验基于氧消耗原理来计算电池热释放速率。HRR探测结果如图7和表2所示。从图7可知，HRR的峰值在低气压条件下显著降低。无论是底部接触加热还是中部辐射加热，HRR峰值都是在90kPa时最大，并随气压的降低而逐渐降低，但是底部接触的HRR比中部辐射平均高出2.kW。另外，HRR与池体温度表现一致，即底部接触加热时，HRR峰值均高于中部辐射加热。2.3热解烟气锂离子电池发生热失控时，电极、SEI膜和电解液会发生一系列反应，产生有毒的可燃气体（CO、CxHy等），而这些可燃气体在有氧的高温环境中，又会生成大量的CO2；此外，电池的燃烧还会伴随大量的烟雾颗粒（石墨、熔融铝）产生，可使人窒息。如图8~10所示，为电池热解烟气（CO、CO2和CxHy）浓度变化曲线。从图8可知，底部加热时，CO峰值浓度在90kPa时最低，为0.%，而70kPa、50kPa和30kPa的峰值点依次为0.%、0.%和0.%；中部辐射加热，在90kPa、70kPa、50kPa和30kPa时，CO峰值浓度依次为0.%、0.%、0.%和0.%。可见，底部与中部加热，CO气体都随气压的降低而升高，但中部加热的CO峰值浓度要略高于底部加热，且在90kPa时差值最大为0.%。从耗氧量和HRR可知，底部加热时较中部燃烧剧烈，参与氧化反应的CO较多，故底部加热时的CO浓度略低于中部辐射加热。从图9可知，CO2的浓度随气压的变化与CO相反。对于底部加热，在90kPa时CO2浓度最高，为3.%，而30kPa时CO2浓度最低，为1.%；中部辐射加热时，同样在90kPa时最高，为3.%，而30kPa时最低，为1.%。在90kPa气压下，CO2含量底部比中部略多0.%，而30kPa气压下，CO2含量底部比中部多出0.%，可见CO2含量底部加热时比中部多，且在更低气压下越明显。从图10可知，CxHy的浓度随着气压的降低而升高。底部加热在90kPa、70kPa、50kPa和30kPa时，CxHy的浓度依次为0.%、0.%、0.%和0.%；而中部辐射加热在90kPa、70kPa、50kPa和30kPa时，CxHy的浓度依次为0.%、0.%、0.%和0.2%。可见，底部加热CxHy的浓度除了在30kPa比中部辐射加热时多，其他气压下均比中部辐射加热时少，其他气压条件下CxHy平均降低0.%。从可燃的有毒气体（CO和CxHy）浓度变化可知，低气压及中部辐射加热条件下，电池热失控表现出更大的毒危害性风险。另外由温度、耗氧量、CO2和热释放曲线等分析可知，在低气压及中部辐射加热条件下，电池不完全燃烧的程度更高，热失控进行的程度进行也更不彻底。3结论针对此前只在外热接触传导下开展热失控实验的不足，本文作者引入在一定距离下对电池辐射的外部热源，增加对比性，并发现其中的差异化，但未考虑不同的辐射距离会对电池热失控特性产生的影响，还需进一步改进。不同的外热功率条件下，软包锂离子电池进入热失控的行为过程相似，均经过阴燃、引燃燃爆、衰减以及产生大量的热解烟气等过程，但不同阶段的射流火行为存在差异。在低气压条件下，底部加热的池体表面温度和火焰温度均高于中部辐射加热。其中，池体表面温度在50kPa温差最大为58.0℃，而火焰温度平均高出.0℃左右；热失控临界温度则是底部加热低于中部辐射加热，最大温差为.0℃。表明底部加热时表现出更大的热危害性。耗氧量和HRR随气压的下降而降低，且底部加热均大于中部辐射加热。其中，底部加热耗氧量比中部辐射加热平均高出0.%，而HRR平均高出2.kW。CO和CxHy含量，除了CxHy在30kPa时是底部加热高于中部辐射加热，其余均是底部加热低于中部辐射加热，且都随气压的降低而升高。其中，CO在90kPa时差值最大，为0.%，CxHy则平均降低0.%；而CO2含量则相反，随气压的降低而降低，且底部加热高于中部辐射加热。可见，在低气压条件下，中部辐射加热表现出更大的毒危害性。培训推荐
