基于包装材料的锂离子电池热失控试验研究

秦帅星

摘 要：为提高空运锂离子电池的安全性和锂电池运输的安全防护。文章自主设计锂离子电池火灾试验平台对不同包装材料及包装方式的18650型锂离子电池开展热失控研究，通过监测初爆及燃爆响应温度、电池热失控数量、峰值温度及峰值持续时间，确定包装对锂离子电池热失控特性的影响。试验结果表明：瓦楞纸包装与无包装相较，峰值温度提高280℃，初爆响应时间仅延长33s，所有电池均发生热失控；包装采用玻璃纤维隔板及盖板时燃爆响应时间为818s，峰值温度为268℃，仅一节电池发生热失控；采用玻璃纤维隔板及盖板包装能显著提高锂离子电池安全性。文章为锂电池包装设计及材料选取提供理论和技术指导。

关键词：锂离子电池；包装材料；热失控；安全性分析

中图分类号：TM911.4 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）19-0180-02

锂离子电池由于其高能量密度和快速充放电特性已成为消费电子产品和电动汽车主要能量来源。但其活性大和易燃材料的使用，使锂离子电池发生多次事故[1]，其安全性成为人们关注的焦点。Eshetu等[2]利用Tewarson量热仪对影响锂离子电池热失控的闪点等主要参数进行了测定，并对火灾产生的有毒气体进行了评价。黄丽等[3]主要对锂离子电池热失控释放气体机理进行了分析研究，对不同成气阶段进行研究划分，得到锂离子电池在不同热失控条件下释放气体的种类及含量，并对热失控释放气体的毒性进行了分析。

国内外对锂离子电池热失控研究主要集中于通过改变正负极材料或添加功能性添加剂改善锂离子电池在循环使用及充放电时电池内部之间相互反应与分解造成锂离子电池出现安全隐患以及性能下降的问题[4]。国外研究机构曾对锂离子电池进行火灾危险性测试，观察单个锂离子电池以及批量存储下的燃烧特性及火灾危险性[5]。但对包装材料对锂离子电池的燃烧特性及热稳定影响尚缺乏深入研究。因此，本人以常用的18650型锂离子电池作为研究对象，采用自主搭建的锂离子电池火灾试验平台，利用不同包装材料、包装方式分析锂离子电池热失控特性，并提出提高锂离子电池安全性的具体措施。

1 试验平台设计

为研究锂离子电池热失控特性，自主设计并建造锂电池火灾试验平台。平台主体为实验舱，由厚度为5mm，长度为2m，宽度为1.8m，半径为0.9m的近似半圆柱不锈钢构成，集成多种测试仪器，对锂离子电池初爆时间和温度、热量传播规律、试验舱压力和温度、烟雾浓度等进行实验研究，如图1所示。

图1中，加热棒长度为100mm，直径为18mm，功率为150W，感温探头集成到棒体内，温度控制采用单片机，加热棒最高温度可达400℃。K型铠装热电偶与无纸记录仪联用进行温度记录，热电偶测温范围为0～900℃，無纸记录仪采样周期为0.1s；热电偶贴敷表面进行测温。试验过程中，使用2台高清摄像机分别记录仪器设备和舱内试验现象。

试验方案设计：

（1）自制加热棒以恒定速率升温（初始温度为室温）模拟电池堆某节电池热失控场景，电池发生燃烧爆炸时停止加热，观察锂电池热失控现象，监测初爆和燃爆响应温度、响应时间、峰值温度及温升速率。

（2）电池充电状态为满电量，数量为8节，包装为无包装、纸包装、玻璃纤维板包装，包装方式为电池间加隔板、电池堆外围加壁板及正极附近加盖板，如图2i。电池及热电偶布置如图2ii；图2中，小圆表示热电偶，大圆表示电池或加热棒，数字表示对应无纸记录仪通道。

2 包装对锂离子电池热失控影响分析

2.1 锂离子电池热失控现象

实验过程中，加热到一定温度时发现正极泄压阀附近有少量气体产生，几分钟后出现大量气体，随后大量气体和液体的混合物从正极泄压阀喷出，伴有“砰”的响声，短时间内混合物被点燃发生剧烈的燃烧爆炸现象，火星四射，产生耀眼的白光，产生大量的黑烟快速弥漫整个试验舱体。

2.2 瓦楞纸包装对锂离子电池热失控影响分析

利用图2布置方案，对比无包装和瓦楞纸包装，条件相同时，对比发生热失控的电池数量、初爆时间、峰值温度及爆炸强度，如图3所示。

从图3看出，在无包装情况下，锂离子电池热失控明显分为4个阶段：（1） 130～260℃，锂离子电池温升速率加快；（2）260℃～292℃，气体从泄压阀附近逸出；（3）292℃，气体和电解液混合物从泄压阀附近快速喷出，即初爆；（4）300℃～，锂离子电池发生燃烧爆炸，温度急速升高，即燃爆。在相同条件下，无包装时在552s时发生初爆，峰值温度为422℃；采用瓦楞纸箱包装时，锂离子电池在585s时发生初爆，峰值温度为705℃。从实验数据得出，采用瓦楞纸箱可以减缓锂离子电池发生初爆，但仅延长33s，而热失控后的峰值温度却出现显著提高，增幅283℃，且整个电池堆均发生热失控；通过观察实验现象发现，有包装时的燃烧爆炸强度明显高于无包装情况，所以现有包装材料（瓦楞纸包装）不仅不能提高锂离子电池的安全性而且一旦某节电池热失控将会对整个电池堆造成破坏性的影响。

2.3 玻璃纤维板包装对锂离子电池热失控影响分析

鉴于瓦楞纸包装不能提高锂离子电池安全性，玻璃纤维板由于其阻燃和隔热特点成为本文研究的重点。

分4种情况利用玻璃纤维板对电池堆进行包装：（1）隔板为玻璃纤维板，壁板和盖板采用瓦楞纸，对应温度曲线图5I；（2）隔板为玻璃纤维板、正极位置加上盖板，壁板采用瓦楞纸，对应温度曲线图5II；（3）盖板为玻璃纤维板，壁板和隔板采用瓦楞纸，对应温度曲线图5III；（4）隔板、盖板及壁板均采用玻璃纤维板，对应温度曲线图5IV。实验方式同上，分析发生热失控电池数量、燃爆响应时间、峰值温度及爆炸现象，确定不同包装材料对锂电池安全性的影响。

图4I中燃爆响应时间为543s，共有三节电池发生燃爆，峰值温度为530℃～584℃，从第一节电池燃爆到最后一节电池燃爆共需534s；图4II中燃爆响应时间为818s，仅一节电池发生燃爆现象，峰值温度为268℃；图4III中，燃爆响应时间为741s，共有6节电池发生燃爆，峰值温度在728℃～866℃，从第一节电池燃爆到最后一节电池燃爆共需111s；图4IV中燃爆响应时间为121s，8节电池全部发生燃爆，峰值温度为677℃～777℃，从第一节电池燃爆到最后一节燃爆共需80s；图4II燃爆响应时间最高，且发生燃爆的电池数和峰值温度有显著降低，原因是玻璃纤维板具有阻燃、隔热的作用，在电池间加隔板可以防止热量之间快速传递提高燃爆响应时间；其次，根据实验现象发现，初爆和燃爆发生在锂离子电池的正极泄压阀处，所以在正极附近加玻璃纤维板可以防止生成气体和电解液喷出从而被点燃引起燃烧爆炸。

2.4 不同包装材料、方式对锂离子电池热失控影响分析

对比图4II和图4I发现，在正极附近增加玻璃纤维板后，发生热失控电池数减少3节，燃爆响应时间显著提高，峰值温度出现大幅降低，很大程度上提高锂离子电池安全性[6]；对比图4II和图4III发现，仅在正极上方加玻璃纤维盖板仍导致电池堆发生热失控，峰值温度增幅明显；分析图4IV温度曲线发现，全部电池发生燃爆，初爆响应时间较图6其他曲线显著降低，峰值温度明显提高；对比图4II和图3，采用玻璃纤维隔板和盖板的电池堆峰值温度从瓦楞纸包装的705℃及无包装时的422℃下降到268℃，降幅明显；初爆响应时间也有很大程度提高。

3 结论

通过开展不同包装材料、包装方式的锂离子电池热失控试验，监测初爆和燃爆响应温度、电池热失控数量及峰值温度，得出如下研究结论：（1）18650型锂离子电池热失控可以划分为四个阶段：a.130～260℃，温升速率加快；b.260℃～292℃，气体逸出；c.292℃出现初爆；d. 300℃左右出现燃爆。（2）包装材料为玻璃纤维板，包装方式为玻璃纤维隔板、玻璃纤维盖板时能显著提高锂离子电池安全性。（3）本研究选用的包装材料仅为瓦楞纸包装及玻璃纤维板，对其他阻燃、隔热材料还需进行进一步研究。

参考文献：

[1]Diego Lisbona，TimothySnee.A review of hazards associated with primary lithium and lithium-ion batteries[J].Process Safety and Environmental Protection，2011，89：434-442.

[2]Gebrekidan Gebresilassie Eshetu， Sylvie Grugeon， Stephane Laruelle，et al. In-depth safety-focused analysis of solvents used in electrolytes for large scale lithium ion batteries[J].PCCP，2013，15：9145-9155.

[3]黃丽，金明钢，尤金跨，等.聚合物锂离子蓄电池气胀原因的初步探讨[J].电源技术，2003，196（22）：163-165.

[4]平平.锂离子电池热失控与火灾危险性分析及高安全性电池体系研究[D].安徽：中国科学技术大学，2014.

[5]Ribiere P，Grugeon S， Morcrette M， et al. Investigation on the fire-induced hazards of Li-ion battery cells by fire calorimetry.Energy & Environmental Science， 2012，5：5271-80.

[6]Vijay Somandepalli， Kevin Marr， Quinn Horn.Quantification of Combustion Hazards of Thermal Runaway Failures inLithium-Ion Batteries[J].SAE international，2014，3（1）：98-104.