李博

(煤炭科学技术研究院有限公司 检测中心，北京 100013)

锂离子蓄电池在爆炸性环境下的安全应用研究

李博

(煤炭科学技术研究院有限公司 检测中心，北京 100013)

为解决锂离子蓄电池在爆炸性环境中安全使用的问题，针对引发锂离子蓄电池电解液泄漏、燃烧、爆炸的条件和因素进行分析，并通过试验手段测得在爆炸性气体环境下配有锂离子蓄电池的隔爆腔体爆炸压力、初燃温度等数据和爆燃的形成条件。试验数据表明：使用锂离子蓄电池的电气设备应针对电池充放电、最高表面温度和使用环境温度范围等的安全测试，确保装有锂离子蓄电池的电气设备在爆炸性环境的可靠应用。

锂离子蓄电池；爆炸压力；初燃温度；安全应用

1 引言

锂离子蓄电池具有能量密度大、无容量记忆性、单体输出电压高、循环寿命较长等优点，在很多行业得到良好的应用。然而随着锂离子蓄电池各个行业的不断普及、使用量的增加其自燃、爆炸等火灾风险逐渐凸显[1-2]。2015年国家密集的施行了GB31241-2014 《便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求》、GBT 31467-2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统》、GBT 31485-2015 《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》等7个标准，第一次从国标的层面针对锂离子蓄电池安全使用和安全防护制定了系统的标准，也凸显了锂离子蓄电池发展的迅猛和保障锂离子蓄电池技术的可靠应用紧迫性和必须性，但在防爆领域相应的标准尚不完备，未能因当前锂离子蓄电池技术的快速发展和现场使用的实际需求而做相应的修订更新。

2 锂离子蓄电池燃爆特征分析

近年来国内外相关科研机构和学者对锂离子蓄电池高低温性能、电解液和正负极材料热稳定对安全的影响、电池产热速率和高温时温度场变化因素，电池放电热行为和环境的影响、在极端条件下锂离子蓄电池燃烧条件和爆燃特性等开展研究，积累大量关于导致锂离子蓄电池产生风险的参考数据[3-6]。研究证明电池燃爆主要原因有：不当充、放电导致电池薄膜高温分解；电池设计缺陷或锂离子蓄电池生产工艺局限无法生产出一致性较高的电池导致整个电池组性能存在瑕疵；长期使用或使用环境不适宜导致的电池薄膜老化内部易发生短路等，这些因素均可能导致电池材料燃烧甚至爆炸。

而在爆炸性环境中的使用锂离子蓄电池的电气设备特别是大容量的电池会加剧上述风险因素造成的影响。因此应重点考虑使用环境温度、电气设备及电池本身的最高表面温度和由自身故障或操作失误对周围环境可能造成的危害等，并采取相应的防护措施。笔者针对上诉目标，通过对锂离子蓄电池燃爆压力试验和初燃温度试验，分析电池燃爆条件、燃爆过程、诱发阀值和可能对周围环境造成的影响。为下一步大容量锂离子蓄电池在防爆领域的可靠应用和完善相关检验标准提供试验技术、试验方法和试验数据等参考信息。

3 试验

3.1 电池爆炸压力试验

3.1.1 试验

试验对象选择能量密度相对集中、应用比较广泛的三元锂蓄电池，由于目前锂离子蓄电池的生产工艺决定电池的一致性还有较大提升空间，因此被测样品为6组电池组，每组由4片单体电池串联，容量为40Ah。

3.1.2 试验方法

该项试验分为两组，分别把电池组放入与隔爆腔体净空间比为约1∶1和约1∶2的隔爆腔体内，充入浓度为(14±1%)(V/V)%的C2H2的气体，腔体内初始压力为0.5MPa。放入环境温度40℃防爆步入式高低温试验箱中对电池组以3C以上电流分别进行过充放试验，每完成一个充放电循环电流增加1C,当电池燃爆、燃烧时试验终止，测得当电池发生燃爆时的腔体内压力。每组电池只做一次试验。

3.1.3 试验结果

第一组试验测得爆炸压力区间为2.35～2.69MPa，图1为该组试验最大爆炸压力曲线。

第二组试验测得爆炸压力区间为1.19～1.33MPa，图2为该组试验最大爆炸压力曲线。

图1 第一组试验最大爆炸压力曲线

图2 第二组试验最大爆炸压力曲线

3.1.4 数据分析

通过爆炸试验数据标明,装有锂离子蓄电池的腔体爆炸压力远大于(14±1)%(V/V)%的C2H2的气体本身在隔爆腔体内可能产生的爆炸压力，所以该爆炸压力主要是锂离子蓄电池燃爆产生的。

3.2 电池初燃温度试验

3.2.1 试验对象

由于造成锂离子蓄电池燃烧的主要因素是电池薄膜的失效，所以分别选用某厂家的干法薄膜和湿法薄膜两种锂离子蓄电池作为被测样品。

3.2.2 试验方法

该试验主要测试电池的初始燃爆温度点，根据相关企业提供的数据信息，干法薄膜和湿法薄膜的分解温度为130～150℃和180～200℃，所以选两种电池薄膜材料锂离子蓄电池分别放入电池组与隔爆腔体净空间比为约1:1的隔爆腔体内，充入浓度为(14±1)%(V/V)%的C2H2的气体，放入防爆步入式高低温试验箱中，以5～8℃/h升温速率缓慢升高环境温度，并以正常工况(1C)对电池充放电，当电池开始发生燃爆时，测得初燃温度。根据锂电池主要部分热物性参数[8]和试验可行性，测温点位于工作温度最接近薄膜的负极极耳处。

3.2.3 试验结果

第一组电池发生燃爆时测点温度为约130℃。电池表面温度在120℃以后上升速度有加速趋势，爆炸瞬间响应温度约550℃。温度曲线见图3；第二组电池发生燃爆时测点温度为约177℃。电池表面温度在170℃后上升速度加速，爆炸瞬间响应温度约590℃，见图4。

图3 第一组电池初燃温度试验

图4 第二组电池初燃温度试验

3.2.4 数据分析

由于试验能力所限，测温点未布入单体电池内部，只能近似选取负极极耳作为电池内部燃爆临界参考温度，根据锂电池热物性参数分析该点温度要略低于电池薄膜处真值温度约3～5℃，在温度较低时接触电阻对温度影响也有一定影响。同时电池薄膜发生分解到燃爆有个相对滞后但不可逆的过程，该分解温度要略低于电池薄膜燃爆点温度真值。综合以上两种因素，当前测点燃爆温度近似电池薄膜开始分解温度。

4 试验结果分析

根据以上两项试验数据和针对锂离子蓄电池燃爆机理的分析，明确了抑制锂离子蓄电池燃爆的途径和阀值，以及在爆炸性环境应用中应采取的部分防护措施。

(1)根据试验1中锂离子蓄电池隔爆腔体的爆炸试验数据，在标准中应增加隔爆腔体净容积对电池组体积最小占比的要求，当占比≥2时，腔体内爆炸压力下降较为明显，同时应对含有锂离子蓄电池隔爆腔体的外壳耐压试验方法进一步完善。

(2)通过试验2的数据证明不同锂离子蓄电池的高温稳定性能差异较大，锂离子蓄电池的使用环境温度也应作为防爆性能的一部分考核，同时配有锂离子蓄电池的防爆电气设备应具备自限温功能，当电池表面温度接近或超过电池使用安全温度范围时，设备应能自动断电保护。依据设备使用环境和场所特点，兼顾防爆安全因素设计复位方式。

(3)通过对锂离子蓄电池爆炸数据和爆炸过程的分析，电池燃爆产生的爆炸压力远大于混合气体产生的爆炸压力，因此配备具有防爆等级相适应的呼吸装置可以得到较好的泄压，对隔爆腔体能更好的保护。

(4)由于电池或电池组的过、充放或使用寿命的衰减也可能是导致锂离子蓄电池爆炸的风险因素，具有锂离子蓄电池的电气设备至少应具备剩余容量、电压、电流、温度等信息的显示功能。

5 结论

针对锂离子蓄电池在爆炸性能环境使用的标准与锂离子蓄电池发展相对滞后的问题，通过对多种锂离子蓄电池的燃爆试验，获得了大量试验数据，明确了锂离子蓄电池的燃爆特征和反应机理，为该领域检验提供参考数据和试验合理性性研究。但由于实验室条件所限，试验样本来源较少，很多安全阀值数据还不准确，需要大量试验数据支撑。

[1] 张青松，郭超超，秦帅星.锂离子电池燃爆特性及空运安全型研究[J].中国安全科学学报，2016,2:50-54.

[2] 李毅，于东兴，张少禹，等.锂离子电池火灾危险性研究[J].中国安全科学学报，2012,22(11)：36-41.

[3] Federal Aviation Administration.Aviation cargo and passenger baggage incidents involving smoke,fire,extreme heat or explosion[R].FAA Office of Security and Hazardous Materials Safety,2013.

[4] RATNAKUMAR B V,SMART M C.Effect of low cell voltages on the performance of MCMB anode and LiNi0.8Co0.2O2 cathode[C].Symposia on Lithium-ion Batteries and Non-aqueous Electrolytes for Lithium Batteries,2013:161-171.

[5] ZHANG S S,XU K,T R jow.Low temperature performance of graphite electrode in Li-ion cells[J].Electrochimica Acta,2002,48(3):241-246.

[6] WANG Qingsong,PING ping,ZHAO Xuejuan,et al.Thermal runaway caused fire and explosion of lithium-ion batteries[J].Journal of Power Sources,2012,208(12):210-224.

[7] 司戈，王青松.锂离子电池火灾危险性及相关研究进展[J].消防管理研究，2012,31(9):994-996

[8] 虞跨海，李长浩，程永周.锂离子蓄能电池放电热行为方针与试验研究[J].电源技术，2016，140(1)：63-66.

Research on Security Application of Lithium Ion Battery in Explosive Atmosphere

LI Bo

(China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)

To solve the problem of how to use Lithium ion battery in explosive atmosphere,it analyzes of electrolyte leakage and battery bums′s factor.Through the test method,it gets flameproof enclosure's explosion pressure and ignition temperature data with Lithium ion battery,in explosive environment.The test data prove that Lithium ion battery's electrical apparatus need Charge and discharge test and maximum surface temperature test and ambient temperature range test.It made sure the safe use of Lithium ion battery in explosive atmosphere.

lithium ion battery;explosion pressure;ignition temperature;security application

1004-289X(2017)01-0073-03

X932

B

2016-11-27

李博(1982-)男，辽宁抚顺人，硕士研究生，高级工程师，主要从事防爆电器检验和检验设备研发工作。