航空冷链运输中含锂离子电池供电设备安全性测试实验

白伟

[摘 要]目前国内航空冷链运输因锂电池问题受到诸多限制。为检验纽扣电池，本文对纽扣电池进行了危险性测试。实验表明纽扣锂电池在加热实验中平均温度达到157.7℃时发生热失控，失控后正负极分离，电解质变为黑色不可再次燃烧物质。短路实验中电池表面温度升高至37 ℃左右，平均损失电压为0.39V，1.2米高度测试与撞击实验中，电池均未出现破坏性损害，温度也未达到引燃包装的程度，说明纽扣电池具有一定火灾危险性但对于供电设备及冷链运输箱危险程度不高。

[关键词]冷链运输；包装；纽扣电池；安全性测试方案；实验

冷链运输是以保持低温环境为核心要求的供应链系统，是随着科学技术的进步以及制冷技术的快速发展而发展起来的，是以冷冻工艺学为基础、以制冷技术为手段的低温物流过程。其中以医药业和生鲜业[1-2]最具代表性。据LifeConEx公司统计在世界销量较高的医药产品中，有20%的产品会因为温度的变化而改变药性、疫苗类产品中有68%对温度有极强的要求，运输过程中控制温度的同时也要实时监测环境温度变化，一旦运输过程中温度的峰值超过或低于规定值，药物只能作废。因此衍生了航空冷链运输产业，锂电池作为产业中温度记录设备的供电电源，得到了越来越多的关注。2016年刘杨等通过列举实际案例，证明运输包装测试只在实验室内营造一个包含振动、冲击、压力、环境的微型世界，实现精密控制、微观观察。针对不同包装件、不同物流环境选择合理的运输包装测试标准，只有通过合理的运输包装测试，进行产品包装的改进完善，才能够降低实际运输中的损坏，提高客户满意度。2016年李志恒从运输包装是热交变常用测试标准解析、环境试验设备的选择以及如何实现湿热条件的模拟等几个方面展开论述。通过实验室的有效试验测试，阐述湿热交变环境测试的意义，以及通过对试验设备控制方式的理解，从而指导设备的选型，达到包装测试的目的。国外冷链运输行业较为先进，以研究新型的制冷技术为主，为当前技术提供更节能环保的替代方案。

一、航空冷链运输包装概况

保温箱根据产品材质不同分为不同种类，包括塑料、泡沫、金属、木制等各种保温箱。保温箱具备良好的隔热保温的功能。航空运输中对冷链箱材质并无明确要求。ABS树脂是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料。因为其强度高、耐腐蚀、耐高温，所以常被用于制造仪器的塑料外壳，因此航空运输通常采用ABS材质的冷链箱。

目前国内航空冷链运输使用的供电设备大多以路格L91温度黑匣子和百沃T301PDF温度记录仪为主，市场上大部分温度记录仪的能量来源为CR2032和CR2450两种大小的纽扣电池

二、供电设备安全性测试方案及实验研究

1.供电设备安全性测试方案设计

因目前国内航空公司对于冷链运输前需要提供供电设备和锂电池UN38.3及1.2M高度测试的测试合格报告，所以实验设计方案主要依据这两项标准。

因目前冷链运输使用CR2032和CR2450为主的一次性纽扣电池，与UN38.3中的过充电实验、强制放电实验无关，加之受条件限制，为探究纽扣电池安全性问题设计加热实验、内部短路实验和1.2M的高度实验。

2.锂电池加热实验

将每种电池分为两组，一组5个电池，两组实验分别对其正、负级进行加热。将加热棒分别与全新锂电池的正负两极用防火胶带固定，并置于自制小尺度爆炸平台中，随后开始对锂电池持续加热，在此期间，锂电池发生燃烧、爆炸等现象，记录加热时长以及发生燃烧、爆炸的温度。

3. 内部短路实验

将每种电池分为两组，一组5个电池，两组实验分别对其正、负级进行加热。将加热棒分别与全新锂电池的正负两极用防火胶带固定，并置于自制小尺度爆炸平台中，将型号为SIN-R960的无纸记录仪的温度探测针用防火胶带固定在加热棒上，以便随时读取加热的温度。随后开始对锂电池持续加热，在此期间，锂电池发生燃烧、爆炸等现象，记录加热时长以及发生燃烧、爆炸的温度。

4. 1.2M跌落试验

将冷链箱密封好后抬举到1.2米的高度保持静止后做自由落体运动，每做一次自由落体运动后，将电池从供电设备中取出测量电压，记录冷链箱的状态，重复上述步骤共20次，检查冷链箱是否密封完好，此为一组实验。

三、供电设备安全性测试实验

加热实验温度数据如图4所示

如图4所示，对比CR2032和CR2450纽扣电池的温度图发现，电池在180℃左右时发生热失控，爆炸后温度迅速下降至常温，因为纽扣电池属于一次性的金属锂电池，电解质受热产生气体，在壳体内急剧膨胀，最终在180℃左右时，气体膨胀将正负极壳冲击分开，发生爆炸，电解质完全燃烧呈现黑色，壳体分离之后燃烧随之结束，温度恢复至室温，供电设备温度记录仪的外壳材料为ABS，其燃点为280℃-320℃，纽扣电池爆炸温度达不到引燃供电设备外壳的温度，所以对于冷链设备无影响。

如图5所示，对比24小时的短路实验前后纽扣电池电压变化发现，CR2032实验前平均电压为3.3V，短路后的平均电压为2.87V，实验前后平均减少电压0.43V，CR2450实验前平均电压为3.31V，试验后的平均电压为2.89V，实验前后平均减少电压为0.42V，通过电压损失可以发现，纽扣电池短路并不会造成危害，24小时损失的电压所转化的热量不足以对纽扣电池本身造成损害，更不会对设备造成影响。

如图6实验数据所示，对于1.2m高度跌落实验，CR2032和CR2450损失最大损失电压为0.12V和0.08V，與短路实验结果相似，20次实验损失的电压不会对纽扣电池本身造成任何危害，损失电压转化的热量也对供电设备没有任何危险，实验中外包装随着跌落次数的增加出现了划痕，小面积的破碎，但对于冷链箱的密封性，保温性没有影响。

四、结语

1.随着航空冷链运输行业的高速发展以及互联网+销售模式越来越被大众所接受与使用，每年的冷链运输货物数量也在飞速增长。每次冷链不需通过提供锂电池和供电设备的安全性测试会大大加快运输效率，减少运输损失。

2.通过实验发现纽扣电池造成的危害不足以对箱体及下箱体以外的设施造成危害，温度记录仪及冷链箱足以保证钮扣电池因短路、意外受热等情况所产生的危害

参考文献：

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