基于环境试验设备的锂离子电池燃爆特性分析

郑昆，侯卫国,2，马军，林文表，傅钊

（1.广州五所环境仪器有限公司，广州 511370； 2.工业和信息化部电子第五研究所，广州 511370）

引言

随着新能源汽车产业的大力发展，作为新能源汽车动力单元的锂离子电池一直是各汽车生产大国研究的重点，一旦锂电池出现燃烧或爆炸等反应，难以扑灭、并瞬间向外释放较大冲击力，进而可导致新能源汽车整车损毁、人身伤亡等重大财产安全事故的发生，以至于锂电池在生产及使用过程中的安全性、可靠性是各生产厂商及汽车制造商面临的问题，因此需要对其在不同环境下安全性进行评估和可靠性测试[1,2]。在锂电池环境试验领域，为防止锂电池在试验过程中出现燃烧爆炸时对试验设备造成破坏，在设计锂电池环境试验设备时需考虑受限空间内锂电池的燃烧、爆炸特性。

1 锂电池工作原理

锂电池主要由正极、负极、隔膜、电解液、安全阀、绝缘垫、壳体等组成。带电锂离子在正负极之间运动，从而实现电荷转移，给外部电路供电或者从外部电源充电，工作原理图如图1所示。

图1 锂离子电池充放电工作原理图

具体的电池充电过程中，外电压加载在电池的两极，锂离子从正极材料中脱嵌，进入电解液中，锂离子在电解液中向负极运动，穿过隔膜到达负极石墨层状结构中，同时电子经外部电路向负极运动，与负极锂离子结合；放电过程中，锂离子从负极表面脱嵌经过电解液，再穿过隔膜嵌入到正极材料中，同时电子经外部电路向正极运动，与正极上的锂离子结合[3]。

2 锂电池燃爆分析

当锂电池处在外部高温环境、异常充电、或负荷短路等条件下时，电池局部温度升高，局部升高的温度热扩散，引起电池内部发生化学反应，产生大量的热量与气体，电池热失控，当积累到一定程度就会引起电池的燃烧爆炸[4,5]，锂电池燃烧爆炸机理见图2所示。

图2 锂电池燃烧爆炸机理

2.1燃烧过程分析

当锂电池局部温度升高达到热失控临界温度（123.8~139. 2）℃[6]时，电池负极表面的固体电解质界面膜（SEI膜）首先经（1）发生化学反应溶解，产生O2、C2H4、CO、H2等助燃可燃气体。

当SEI膜溶解后，负极与电解液发生反应（2）（3）（4）（5）（6），生成C2H4、C2H6等可燃气体，并使温度急剧升高。

电池正极（以三元锂为例）发生反应生成O2：

最后电池内部反应生成的可燃气体经过燃烧生成CO2、CO和H2O[7-9]：

由以上分析可知，锂电池发生的燃烧前期主要为无氧燃烧，因此以窒息为主要灭火原理的灭火剂对锂电池的燃烧并未产生明显效果，但可有效迅速降低燃烧时的温度，阻止电池内部进一步化学反应，进而可达到抑制电池燃烧的目的。因此针对锂电池环境试验设备应配备能使电池迅速降温的灭火系统，同时配备电池温度监测模块，实时监测电池温度是否接近或达到热失控临界温度。

2.2爆炸冲击分析

电池燃烧、爆炸过程主要分为两个阶段：①电池受热内部反应产生气体超过安全阀压力时，气体通过泄压口喷出，此为初爆；②电池内部温度持续升高，化学反应加剧，在短时间内电池内部温度和压力激增，向外喷射火星，伴随着较大的冲击力，此为燃爆[10]。锂电池燃爆过程TNT当量TNTm，可按式（9）计算[8,11]。

式中：

U—锂电池发生燃爆时的反应热；

cp—电池比热容；

mcell—电池燃爆前质量；

T0、Tmax—电池发生燃爆表面的初始温度和最高温度；

HTNT—TNT炸药的爆热，为 （4 437～4 765）J/g，选取中间量 4 601 J/g。

依据热力学第一定律[12]：

锂电池燃爆过程中，取锂电池为系统。进入系统的能量：电池储存的电能，按照电池的当前能量计算；离开系统的能量=0；系统储存能量的变化：燃爆过程的放热、冲击力等。因此，电池的TNT爆炸当量可用式（11）计算。

式中：

W—锂电池当前能量，单位Wh。

在设计锂电池环境试验设备时需考虑当前被试样品可能的最大冲击力，因此将电池的额定能量计算TNT当量最大值。TNT炸药爆炸时在受限空间内会产生瞬间冲击波压力和准静态压力，其中准静态压力是由于炸药爆炸产生的高温、高压气体向外膨胀受到密闭空间约束形成，具有代表性的计算公式，如式（12）[13,14]。结合锂电池燃爆过程的特点，锂电池燃爆的最大冲击压力按TNT爆炸的准静态压力计算。

式中：

m—TNT当量，单位：kg；

v—受限空间体积，单位：m3；

p—准静态压力，单位：MPa。

为验证式（12）的准确性，将文献[8]采用某三元锂电池在60 L受限空间内加热燃爆试验的数据采用式（12）进行计算，列于表1。

表1 式（12）计算验证

由表1可知，文献[8]测得的压力值与采用式（12）计算值接近，可用于估算锂电池在受限空间内燃爆产生的压力值，但式（12）是经验公式，受限空间内电池燃爆产物反应过程复杂，目前没有较好的模型，因此式（12）计算结果与实际情况会存在差异。下面以式（12）计算不同锂电池在不同容积下产生的最大准静态压力，列于表2。

表2 不同锂电池在不同容积下的准静态压力计算

由表2及式（12）可知，锂电池燃爆过程产生的压力与电池能量成正比，与受限空间的体积成反比，相同能量大小的电芯在体积越大的容积所产生的准静态压力越小。因此在设计或选择锂电池环境试验设备时应尽可能采用大容积的试验箱，同时针对电池燃爆释放压力，锂电池环境箱应考虑具备压力释放装置，当电池发生燃爆时产生的冲击压力经试验箱压力释放装置泄压，进而可进一步保护试验设备。

3 结束语

本文从锂电池燃烧过程、爆炸冲击等方面分析了锂电池燃爆特性，并将锂电池燃爆冲击力与TNT爆炸类比，得出锂电池环境试验设备应具备大容积、压力释放装置、以快速降温为原理的灭火系统、电池温度监测预警装置等功能，对锂电池环境试验设备的研制可提供参考。