锂离子电池组件燃烧性及危险性评价

王兰 程树国

河南华瑞高新材料有限公司 河南新乡 453000

锂离子电池作为汽车领域、电能领域的重要能量形式，在某些层面上会给电动汽车、电网储能提供源源不断的电力支持。但是需要注意的是，一旦锂离子电池出现燃烧或者爆炸等不良反应，火势会瞬时迅猛且难以扑灭。燃烧过程所产生的大量烟雾会对人体呼吸道等重要部位产生直接刺激，如果不加以及时整治，势必会对人身安全造成极大危害。根据当前研究情况来看，研究人员针对锂离子电池安全性研究问题只局限于火灾诱发因素、安全检测等方面。对于锂离子电池火灾发生后的问题及作用机理，尚未进行针对性研究，亟待解决。

1 试验准备部分

1.1 研究对象

目前，国内锂离子电池多以磷酸铁锂电池、锰酸锂电池以及三元电池为主要表现形式，经常用于动力电池、储能电池当中。针对于此，本文主要以上述3种锂离子电池为研究对象。首先，将电池处于充满状态。其次，静置12h后，利用充满氩气的手套箱整理上述锂离子电池，如解剖，取出正极片、负极片、隔膜等携带电解液的组件[1]。

1.2 测试准备

关于测试准备工作，本文主要以锥形量热仪为主要测试设备。测试环境温度控制在23℃左右、湿度控制在45%左右。取出试验样品水平放置在保护装置上，在这里建议最好优先选用不锈钢丝保护。究其原因，主要是因为防止样品出现变形等问题。在样品试验次数方面，建议试验人员应该反复进行多次试验后，再确定试验结果。需要注意的是，关于试验数据最好利用锥形量热仪进行采集与分析。

2 电池组件热参数分析

根据试验分析结果来看，磷酸铁锂电池组件、锰酸锂电池组件以及三元电池组件在引燃之后，在某个瞬间都可以达到一个峰值。达到峰值点之后，3种电池组件分别出现了不同程度的热释放速率下降现象。究其原因，主要是因为不同性质的电池组件在燃烧性特质方面存在较大差异[2]。造成这种差异现象的根本原因在于燃烧性特质差异以及组件材料本身可燃程度差异、电池组件配方等。从客观角度上来看，锂离子电池主要以液态有机物作为溶剂，如碳酸二甲酯酯、碳酸乙烯酯等。上述液态有机物溶剂具备易燃性，在辐射条件下电池组件会释放出大量气态挥发物。

需要注意的是，当气相中可燃物浓度达到临界数值之后，样品会在临界条件下迅速燃烧，此时，锂离子电池各组件的热释放速率会急剧升高，待耗尽之后，热释放速率会发生大幅度下降反应。此后，固相可燃物将会发生燃烧反应。根据反复实践证明，磷酸铁锂电池组件、锰酸锂电池组件以及三元电池组件在引燃之后，石墨负极是最先被点燃的部分，其次是正极、隔膜等组件。因此可以说明，石墨负极是最容易被点燃的部分。另外，在相同辐射强度作用下，石墨负极所产生的热释放强度也是组件成分中最高的。足以见得，锂离子电池中的石墨负极是整个组件体系最容易着火的部分，同时也是热释放强度最高的部分。

3 锂离子电池组件燃烧性及危险性评价

3.1 燃烧性能差异

磷酸铁锂电池组件、锰酸锂电池组件以及三元电池组件都是以石墨材料作为负极，在电解液的选择方面也多以碳酸酯类为主。区别之处在于正极材料存在不同，且电解液添加剂也有所不同。根据上述试验过程可知，3种锂离子电池在锥形量热仪测试结果方面存在一定差异。

究其原因，主要是因为电池材料燃烧与受热分解过程存在差异性，或者是电解液成分，如溶剂组分、添加剂种类等存在不同。最重要的是，3种锂离子电池在隔膜、负极成分方面存在一定差异，导致锂离子电池组件燃烧性能存在不同程度的差异情况[3]。

3.2 AHP法电池火灾危险评价机制

一般来说，火灾危险主要集中以热危险与烟气危险为主。其中，热危险集中以放热危险、火势增长危险为主；烟气危险集中以发烟危险、烟气毒害风险为主。结合AHP法火灾风险评价机制可知，电池组件燃烧参数会根据性质不同或者其他特征不同，划分为易燃性、释热性等种类。在具体试验过程中，我们需要根据上述表征特点，针对参数问题进行合理划分，构建锂离子电池火灾危险性评价机制或者相关体系。

电池组件的火灾危险性指数在某些层面上综合电池组件特性，如燃烧热危险、烟气危险等因素，通过综合比较得出不同组件火灾危险性程度，并按照定量分析方式确定火灾危险性程度。根据AHP法的分析可知，磷酸铁锂电池组件、锰酸锂电池组件以及三元电池组件在引燃之后，石墨负极是最先被点燃的部分，其次是正极、隔膜等组件。需要注意的是，磷酸铁锂正极火灾危险性程度明显大于石墨负极，究其原因，主要是因为磷酸铁锂正极生烟性强度明显高于石墨负极。

4 结语

从易燃性与释热性角度上来看，锂离子电池中的石墨负极是整个组件体系最容易着火的部分，同时也是热释放强度最高的部分，其次是隔膜、正极。从生烟性特质上来看，隔膜的不完全燃烧往往是造成锂离子电池燃烧过程产生大量烟气的主要原因，再加上受到电极材料燃烧与热分解的作用机理，电池组件火灾危险性程度会更高。结合AHP法进行计算与分析可知，三类锂离子电池体系中的隔膜组件是造成火灾风险问题的主要因素。究其原因，主要是因为隔膜热释放速率较高，且一氧化碳、二氧化碳等含量浓度较高。针对于此，建议研究人员应该将防范重点放在上述组件位置当中，尽可能地规避火灾风险问题。