鋰電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣極限氧濃度研究

【預(yù)覽】本文利用爆炸極限試驗(yàn)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(shù)可為儲能電站等應(yīng)用場景的防爆抑爆設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

一、前言

鋰離子電池?zé)崾Э剡^程會產(chǎn)生由多種可燃組分構(gòu)成的混合氣體，這種熱解氣一旦被點(diǎn)燃會出現(xiàn)不可控的嚴(yán)重后果。測定鋰電池?zé)崾Э禺a(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(jù)，有效預(yù)防爆炸和火災(zāi)事故；也可為地下車庫等應(yīng)用場景的通風(fēng)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)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(dāng)?shù)貢r(shí)間）蔚山南區(qū)SK能源公司發(fā)生火災(zāi), 一幢三層電池儲能大樓被燒毀。

本次實(shí)驗(yàn)選擇應(yīng)用于儲能站的265Ah磷酸鐵鋰電芯，通過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(yàn)儀進(jìn)行產(chǎn)氣爆炸特性研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yàn)部分

1. 樣品準(zhǔn)備

（1）氮?dú)猓杭兌炔坏陀?9.8 %（體積分?jǐn)?shù)）。

（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(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)儀器：仰儀科技HWP21-30S爆炸極限試驗(yàn)儀

試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑簹怏w試樣

試驗(yàn)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(yàn)儀; (b) 實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)場圖

3. 測試方法

（1）爆炸極限測定

參見GB/T 21844-2008 化合物(蒸氣和氣體)易燃性濃度限值的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法；GB/T 12474-2008空氣中可燃?xì)怏w爆炸極限測定方法。

（2）極限氧濃度測定

參見GB/T 38301-2019可燃?xì)怏w或蒸氣極限氧濃度測定方法。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1. 燃燒判定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB/T 21844-2008 化合物(蒸氣和氣體)易燃性濃度限值的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法中提到的火焰的傳播的定義：在本試驗(yàn)中，火焰前沿從點(diǎn)火源向上或向外到達(dá)器壁或至少離器壁13mm處的運(yùn)動過程。向外擴(kuò)散運(yùn)動說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(biāo)準(zhǔn)

注：距離器壁13mm處用紅色圓圈表示。

2. 爆炸極限實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）爆炸下限

進(jìn)行爆炸下限測試時(shí)，測得zui jie jin火焰?zhèn)鞑ズ突鹧娌粋鞑r(shí)的實(shí)驗(yàn)效果如實(shí)驗(yàn)錄像1所示，可以計(jì)算爆炸下限LEL=0.5×(6.526+7.077)%=6.80%。

實(shí)驗(yàn)錄像1 (a) 火焰不傳播X_TS =6.526%; (b) 火焰?zhèn)鞑?span style="text-align: center; font-family: -apple-system, BlinkMacSystemFont, "Helvetica Neue", "PingFang SC", "Hiragino Sans GB", "Microsoft YaHei UI", "Microsoft YaHei", Arial, sans-serif; letter-spacing: 0.621714px; background-color: rgb(255, 255, 255); margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; text-indent: 34px; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">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?zhèn)鞑ズ突鹧娌粋鞑r(shí)的實(shí)驗(yàn)效果如下，可以計(jì)算爆炸上限UEL=0.5×(41.043+40.225)%=40.63%。

實(shí)驗(yàn)錄像2 (a) 火焰不傳播X_TS =41.043%; (b) 火焰?zhèn)鞑?span style="text-align: center; font-family: -apple-system, BlinkMacSystemFont, "Helvetica Neue", "PingFang SC", "Hiragino Sans GB", "Microsoft YaHei UI", "Microsoft YaHei", Arial, sans-serif; letter-spacing: 0.621714px; background-color: rgb(255, 255, 255); margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; text-indent: 34px; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">X_TS  =40.225%

3. 極限氧濃度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

圖4 電池產(chǎn)氣極限氧濃度三元圖

如圖4所示，通過程序?qū)嶒?yàn)逐步確定爆炸區(qū)頂點(diǎn)空氣體積分?jǐn)?shù)（X_air，L），并測定0.8倍頂點(diǎn)惰性氣體體積分?jǐn)?shù)（0.8 X_in，L）的混合氣體爆炸極限，以驗(yàn)證極限空氣濃度LAC位于爆炸區(qū)頂點(diǎn)，此時(shí)：

LAC = X_air，L = 35.89％

隨后可通過公式計(jì)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(qū)范圍，反映電池產(chǎn)氣的爆炸區(qū)臨界濃度分布規(guī)律。

四、結(jié)論

本文利用爆炸極限試驗(yàn)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(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過提高惰性氣體濃度或降低氧濃度進(jìn)行抑爆設(shè)計(jì)，可以有效預(yù)防爆炸風(fēng)險(xiǎn)，提高儲能電站等應(yīng)用場景的安全性。