280Ah磷酸鐵鋰電池熱失控產(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(zhì)量變化等熱失控參數(shù)，從產(chǎn)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(chǎn)氣和火焰行為危險性的表現(xiàn)形式。
研究結(jié)果與討論
（1）量化了電池熱失控過程的四個階段。根據(jù)電池表面溫度和溫升速率的關(guān)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(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)下電池熱失控過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；通過實時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(chǎn)氣行為的危險性主要表現(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)電火花大量的可燃氣體將會被點燃，由于火焰的存在將產(chǎn)生高溫煙氣以及熱輻射作用。根據(jù)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(chǎn)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(xiàn)在高溫火焰以及強烈的熱輻射。
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)部熱失控蔓延擴散現(xiàn)象。電池熱失控過程出現(xiàn)多個質(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)部存在四個卷芯，四個卷芯依次發(fā)生熱失控構(gòu)成了整個電池熱失控的全過程，這與多個質(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)部熱失控擴散現(xiàn)象。
圖4 100%SOC磷酸鐵鋰電池熱失控過程質(zhì)量損失變化曲線
圖5. 磷酸鐵鋰電池熱失控內(nèi)部蔓延過程示意圖
