鋰電池熱失控產氣氣體燃燒速率研究

  • 發布時間:2022-07-14
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前言

鋰電池熱失控產氣存在多種可燃氣體,易導致燃燒或爆炸事故。為減輕電池產氣燃爆帶來的破壞效應,電池包或系統上需配備泄放裝置,并保證其在規定壓力下打開。氣體燃燒速率是進行燃爆泄放設計所需的重要參數,“UL 9540A-2019評價電池儲能系統中熱失控火焰傳播的安全試驗方法”標準中明確規定電池產氣氣體燃燒速率測試納入電芯級安全測試范疇。

本次實驗通過人工配氣模擬某款儲能電芯熱失控所產生的可燃混合氣體,并使用仰儀科技FPV-400A氣體燃燒速率測試儀進行測試。實驗結果表明,混合氣濃度為24.20Vol%時,氣體燃燒速率達到最大值56.04cm/s。


實驗部分

  1. 樣品準備

    待測混合氣樣品:主要成分為CO?、CO、H?、CH?、C?H?和C?H?,依據某磷酸鐵鋰電芯熱失控產氣的氣相色譜數據進行配制。

  2. 實驗條件

    實驗儀器:仰儀科技FPV-400A氣體燃燒速率測試儀

    反應管內徑:40mm

    膨脹罐壓力:500kPa

    攪拌轉速:300r/min

    點火時長:0.30s

    點火能量:15kV,30mA

    曝光時長:12.00ms

    圖1 FPV-400A氣體燃燒速率測試儀

  3. 測試方法

本方案參照UL9540A-2019所引用的“ISO 817-2014 制冷劑——命名和安全分類”標準方法?;緶y試原理為:點燃待測可燃氣體與底部點火端開放的垂直細長管內的空氣所形成的均質混合物,引發火焰向上部封閉端進行傳播(如圖2所示)。在火焰穩定傳播階段,攝像機實時記錄火焰狀態,通過圖像處理算法提取火焰形態,計算火焰冠表面積和火焰燃燒速度。


圖2 火焰在垂直管中的傳播示意圖


值得注意的是,反應管內徑的選取綜合考慮了火焰在壁面的淬滅效應以及火焰傳播穩定性。內徑越大,火焰越不容易被淬滅,但同時火焰形態穩定性下降。ISO 817-2014標準規定的反應管內徑(40mm)主要針對氣體燃燒速率相對較低的(通常<40cm/s)制冷劑測試。該方法對于電池熱失控產氣測試并不完全適用。


實驗結果

通過改變可燃氣濃度進行實驗(通常從爆炸上、下限逐步逼近化學當量濃度),可擬合得到氣體燃燒速率與濃度關系曲線,曲線頂點即為最大氣體燃燒速率,該值通常出現在當量濃度附近。

不同濃度下混合氣點燃后的火焰傳播形態與實時處理圖像如圖3所示。


圖3 不同濃度下電池產氣火焰傳播過程動態分析


混合氣燃燒速率與濃度擬合曲線如圖4所示。當氣體燃燒速率>40cm/s時,火焰穩定傳播時間很短,難以進行計算分析,因此無法準確得到當量濃度附近的測試結果。通過擬合曲線推算,當混合氣濃度為24.20%時,最大氣體燃燒速率為56.04cm/s。


圖4 混合氣燃燒速率與濃度擬合曲線


實驗結論

本文基于UL9540A-2019測試標準,測定得到了鋰電池單體熱失控產氣的氣體燃燒速率,相關數據可用于熱失控產氣燃爆風險評價以及電池系統泄放設計。



參考資料

[1]氣體燃爆泄放過程中燃燒速率的評價,《化學工業與工程技術》Jun. 2005, Vol.26 No3, 吳冬輝,王淑蘭等。

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