低压环境对锂电池热失控释放温度的影响

冯 硕

（河南医学高等专科学校，河南郑州 450000）

锂电池为人们生活带来便捷的同时，其安全性也受到了大家的关注。电解液剧烈燃烧会穿透金属板，热解气体的爆炸极限比烃类要高。锂电池的热失控反应容易造成危险事件，其高温特性是火灾危险的重要和基础参数。因此，有必要探究低压环境对于锂电池热失控释放温度的影响，降低其使用危险性。

1 锂电池热失控概述

锂电池热失控过程包含初爆与燃爆两种形式，其中初爆阶段锂电池的内部温度会提升，若压力增大会破开锂电池的泄压口同时持续释放烟雾；燃爆过程中锂电池会出现剧烈喷射问题，从电池的正极位置喷射大量的发光高温物质，同时进行二次燃烧。低压环境中锂电池热失控的初爆过程烟雾的释放时间很长，在喷射完成后不会燃烧，喷射物的亮度也会下降。本课题在30kPa、60kPa、101kPa 的多种压力环境中对多节锂电池进行热失控反应实验，研究压力对于电池正极热失控释放的温度的影响。

2 低压环境对锂电池热失控释放温度的影响

2.1 低压环境对于锂离子电池池体温度的影响

锂电池热失控燃爆过程中，当电池的荷电量不同时，环境压力下降会导致锂电池的池体响应温度提升。因此压力越大，锂电池的燃爆几率越大。同时，锂电池池体的燃烧温度也会伴随着荷电量的提升而减少，此过程不会受压力环境的影响而变化。当荷电量在100%、50%、0%时，锂电池的池体最高温度会伴随着压力的提升而增加，压力越小则锂电池的燃爆危险性越低。此外，不同压力中锂电池的池体最高温度会随着荷电量的提升而增加。

2.2 低压环境对于锂离子电池喷射口温度的影响

热失控反应中在电池的正端喷射出口温度是热失控反应释放的温度，热失控释放的能量来源主要包含以下内容：其一，热失控产生的可燃、易燃物质会在多种压力环境中发生二次燃烧反应所释放的能量。其二，锂电池内部热失控反应释放的高温物质和能量。通过在30kPa、60kPa、101kPa 多种压力环境中进行重复实验，能够发现低压环境对锂电池热失控形成的环境温度会产生多种影响，具体分为以下几方面：

（1）30kPa 压力环境

30kPa 的低压环境中，电池的正极喷射出口所测试的热失控释放温度主要分为5个峰值：1～4个高温峰值集中在7节电池的热失控反应期间；峰值1和2发生在第一次和第二次热失控反应过程中，峰值的宽度窄并且高温所持续的时间短；峰值3与4一部分出现在第3～7次的锂电池热失控反应阶段，其中峰值3的温度较低，而峰值4则发生于锂离子电池的热失控反应完成时期，峰值4的温度与5接近，温度较高；峰值5出现在热失控的全反应完成后，此时锂离子的喷射残余可燃物和电池外皮正进行燃烧，因此释放的温度较高且峰值的宽度较大，高温持续时间较长[1]。

因此，30kPa 的低压环境中锂电池的热失控阶段所释放的温度峰值数量较少，其中高温峰值宽度、峰值数量相较于60kPa 的环境低，因此电池热失控的高温危险性低于60kPa 的压力环境。此外，30kPa 的低压环境中氧浓度较低，能够在一定程度上对锂离子电池的内部剧烈热失控反应进行抑制，使热失控反应所产生的有机气体可燃物质在低压环境中很难进行二次燃烧反应，由此发现30kPa 中锂离子电池内部材料进行热失控放热反应是低压环境产生高温热量的原因。

（2）60kPa 压力环境

电池热失控反应通过喷射光亮、高温物质形成燃爆过程，进而产生高温峰值[2]。压力环境为60kPa 时，锂离子电池存在7次热失控反应，通过对锂电池喷射口环境温度进行探测发现，反应出现5个热失控高温峰值，其中1～4的高温峰值主要集中在第7次热失控反应中。锂离子高温峰值5出现在7节电池热失控反应完成后，该阶段中锂离子的电池喷射可燃物、塑料外皮通过燃烧反应进而形成高温峰值。峰值2、3、4的温度大约是800℃，最高温度约是1 100℃，其峰值宽度较窄。相较于101kPa 的压力环境，在60kPa 的环境中产生了7次热失控反应；锂离子电池喷射口的温度峰值是4个，分析得出在低压中热失控反应所喷射的燃爆物质对于高温影响较低，若峰值高于600℃则宽度会变窄。因此60kPa 的低压环境中热失控反应所产生的持续高温时间被缩短。同时，60kPa 的压力环境中热失控的高温释放反应相较于常压条件安全性要高，因此该环境与常压环境相比氧浓度较低。高温释放热量主要通过电池内部材料的热反应进而释放能量，另外一部分源于电池内部通过热失控反应产生可燃气体。

（3）101kPa 压力环境

101kPa 的压力环境也就是常压条件，一定条件下电池依次会发生热失控反应，锂离子电池在低压环境中一共发生了7次剧烈的电池热失控反应。在电池反应中会在其正上方约30mm 的位置捕捉高温反应峰值，而剧烈的喷射燃烧反应出现的环境高温峰值大体均匀地分布于1～7次的热失控反应范围中，全部高温峰值温度远远大于600℃，最低温度约为800℃，最高温度能够达到1 100℃。同时，101kPa中锂离子热反应释放高温的峰值宽度大，因此释放温度所持续的时间较长。101kPa环境中7次热失控反应均会释放高温能量，并对周边环境形成持续的高温影响。此外，常压101kPa的环境中锂电池热失控反应所释放的高温来源包含以下要素：锂离子电池的内部发生剧烈的热反应进而释放能量；锂电池内部通过反应形成易燃气体，并在常压环境中进行二次燃烧反应，进而释放热量。

2.3 低压对锂电池热失控反应的影响机理

针对低压环境中锂电池热失控反应发生的燃爆喷射现象，通过分析热失控反应可以得出以下机理：低压环境中压力和氧含量下降的条件下，锂电池热失控反应明显。由于锂电池属于封闭系统，若压力减少，会导致锂电池外部温度升高，内外压力差增加，内部的气体会冲出电池泄压口，进而释放内部压力。因此，低压环境中锂电池喷射过程的能量积累时间较长，同时在喷射前期电池热失控释放烟雾的时间也会拉长[3]。

低压环境中由于氧含量少，使锂电池中电池喷射物和氧分子的接触性不足，无法燃烧充分。因此锂电池喷射物中会存在较多的暗黑色物质，这些是喷射物不充分燃烧的颗粒物，会大大降低喷射物燃烧的亮度。低压环境中氧含量的下降会提升点火初级阶段所需要的能量值。不过电池喷射物的燃烧反应不完全，因此最高温度会略低于常压条件，在点燃后电池喷射气体的可能性会下降，因此在低压条件下一般不会产生第二次的燃烧情况。由于低压条件下烟雾释放的时间拉长，会增加电池池体的加热时间，导致锂电池池体燃爆阶段的对应温度提升。氧气浓度下降，电池会发生不充分化学反应，因此烟雾在释放过程中会减少一部分热量，锂电池的最高温度会小于常压条件中电池池体的温度，电池喷射口温度也会低于常压条件下的温度。

环境压力的降低使电池热失控释放温度的高温宽度、峰值数量、持续时间均逐渐降低，同时低压环境中较低的氧浓度会对热失控释放气体的燃烧反应构成限制，因此低压环境中锂电池释放温度一般为电池内部材料热失控反应产生的能量，而热失控所释放能量会使电池体外温度达到900℃，存在电池间的能量传递。