氣凝膠氈對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑サ淖韪粲行苑治?/h1>
2021-12-08 01:57:14伊笑瑩李澤錕劉全義魏超越
伊笑瑩，李澤錕，劉全義，魏超越，劉 濤
(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 民航安全工程學(xué)院，四川 廣漢 618307)
鋰離子電池因其優(yōu)異的充電儲(chǔ)能特性被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中，一大批國(guó)內(nèi)優(yōu)秀的鋰電池品牌迅速崛起，逐漸成為鋰電池行業(yè)中的翹楚[1]。但隨著鋰電池的旺盛發(fā)展，與鋰電池安全相關(guān)的事件熱度也在上升，在過(guò)熱、過(guò)充等非正常情況下鋰離子電池會(huì)發(fā)生熱失控，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量并迅速開(kāi)始燃燒，伴隨著噴濺爆炸等現(xiàn)象，進(jìn)而引起熱失控在成組貨物間的傳遞，給民航運(yùn)輸安全帶來(lái)極大威脅[2]。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局2019年發(fā)布的事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示[3]，自1991年以來(lái)，航空貨運(yùn)和旅客行李中發(fā)生了241起鋰離子電池事故，其中大部分是由鋰離子電池突然發(fā)生熱失控所引起的火災(zāi)或爆炸。從鋰電池本身特性分析來(lái)看，發(fā)生危險(xiǎn)事故的鋰電池大多為滿(mǎn)電狀態(tài)的電池[4]，在航空運(yùn)輸過(guò)程中受到不同程度的機(jī)械擠壓、熱濫用等影響，使鋰電池發(fā)生一系列放熱反應(yīng)引發(fā)熱失控[5]。目前的研究主要集中于鋰電池?zé)崾Э貦C(jī)理、鋰電池?zé)峁芾矸椒?、鋰電池電解液及正?fù)極材料對(duì)鋰電池安全性的影響、鋰電池?zé)崾Э卦诔山M貨物中的傳遞、不同滅火方式對(duì)鋰電池的滅火效果研究以及針刺等引發(fā)的熱失控特性研究，而關(guān)于鋰電池在不同包裝及不同隔板材料下的熱失控特性研究較少。劉全義等[6-8]研究了鋰離子電池在不同環(huán)境壓力及熱源功率下的燃爆特性，發(fā)現(xiàn)在低壓環(huán)境下鋰離子電池的初始燃爆溫度較高、發(fā)生燃爆的時(shí)間較長(zhǎng)；隨著熱源功率的增加，鋰離子電池初始燃爆時(shí)間減少，溫升速率增加，燃爆峰值溫度升高。陳才星等[9]研究了環(huán)氧樹(shù)脂板對(duì)方形鋁殼電池的熱失控阻隔作用，結(jié)果表明，環(huán)氧樹(shù)脂板可降低模組最高溫度。秦帥星[10]研究了瓦楞紙和玻璃纖維隔板及蓋板包裝對(duì)熱失控的影響，結(jié)果顯示，玻璃纖維板能顯著提高鋰離子電池安全性。胡棋威[11]研究了1 cm氣凝膠隔熱板對(duì)鋰離子電池的熱失控傳播阻隔特性，研究表明，在電池間設(shè)置隔熱板可以隔離電池爆炸時(shí)噴射出的電芯物質(zhì)，并大幅削弱熱輻射和對(duì)流的作用，能有效阻止熱失控的傳播，但實(shí)驗(yàn)中電池均采用鐵架進(jìn)行固定，無(wú)法避免導(dǎo)熱對(duì)電池的影響，使實(shí)驗(yàn)存在誤差。張青松等[12]研究了包裝材料對(duì)18650 型鋰離子電池燃爆的影響，結(jié)果顯示，用瓦楞紙包裝時(shí)不能提高鋰離子電池安全性。
阻斷鋰離子電池之間的熱失控傳播，將鋰離子電池組熱失控危害控制在較小程度，是解決鋰離子電池組安全問(wèn)題的重要技術(shù)途徑。本研究將開(kāi)展氣凝膠氈對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑プ韪粲行匝芯浚灾髟O(shè)計(jì)并搭建鋰離子電池燃爆實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究不同材料厚度、電池SOC對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑ミ^(guò)程的影響。根據(jù)《鋰電池航空運(yùn)輸規(guī)范(MH/T 1020—2018)》可知，民航運(yùn)輸過(guò)程中鋰離子電池的電量不應(yīng)超過(guò)30%，因此選用30%SOC以及危險(xiǎn)性最大的100%SOC鋰離子電池進(jìn)行研究，分析10 mm及1 mm氣凝膠氈阻隔情況下，電池?zé)崾Э仄鹗紲囟取⒎逯禍囟取煔鉂舛?、熱流量、質(zhì)量損失等特征參數(shù)的變化，以為航空運(yùn)輸鋰電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)防治和包裝設(shè)計(jì)提供參考。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 氣凝膠材料隔熱原理分析
氣凝膠隔熱材料的孔隙率占整體積的90%以上[13]，可以很好地抑制對(duì)流換熱、導(dǎo)熱以及輻射換熱。然而，孔隙的增加又使得孔隙內(nèi)氣體的對(duì)流導(dǎo)熱增大和材料熱導(dǎo)率提高。氣凝膠隔熱材料采取減小孔隙直徑的辦法來(lái)改善隔熱性，使孔隙的平均直徑降為50～60 nm，而空氣分子的平均自由程為70 nm左右。在如此小的空隙中，空氣幾乎無(wú)法流動(dòng)，從而抑制了空氣的對(duì)流導(dǎo)熱。此外，由于大量納米級(jí)孔洞的存在，使氣凝膠材料具有無(wú)限多的孔壁，這些孔壁均可視為輻射的反射面和折射面。毫米厚度的氣凝膠材料即含有上萬(wàn)層的反射面和折射面，很好地阻隔了輻射導(dǎo)熱。根據(jù)氣凝膠產(chǎn)品的導(dǎo)熱率隨溫度變化情況[14]可知，氣凝膠氈和氣凝膠板的導(dǎo)熱率差異十分微小，但氣凝膠板切割不便、重量大，故本實(shí)驗(yàn)采用氣凝膠氈進(jìn)行隔熱性測(cè)試。
1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
自行搭建的鋰離子電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，主艙體長(zhǎng)寬高均為0.5 m，艙頂設(shè)有0.15 m坡度，便于煙氣的收集。實(shí)驗(yàn)艙采用304不銹鋼板，硬度高，抗沖擊性強(qiáng)，耐熱性良好，不易生銹。艙門(mén)部分采用透明耐高溫板，便于觀察實(shí)驗(yàn)全過(guò)程。艙門(mén)艙體連接處纏繞密封條，保障艙門(mén)與艙體的密封性。溫度檢測(cè)裝置采用K型熱電偶，測(cè)量電池及加熱棒溫度。熱源選用100 W宏威加熱棒，觸發(fā)電池發(fā)生熱失控。鋰電池產(chǎn)生的煙氣通過(guò)采集管連接到OPTIMA7型煙氣分析儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)CO、CO2及O2濃度，煙氣采集管另一端接入實(shí)驗(yàn)艙頂中心的圓孔，對(duì)實(shí)驗(yàn)全過(guò)程產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行采集。采用NI-cDAQ-9135采集系統(tǒng)以0.01 s的頻率持續(xù)采集溫度數(shù)據(jù)。使用坤宏高精度電子天平進(jìn)行電池質(zhì)量的采集，量程為6 kg，顯示精度為0.1 g。實(shí)驗(yàn)選取容量為2 600 mA的18650型鋰離子電池(LR1865SZ)，標(biāo)稱(chēng)電壓為3.7 V。進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，保障實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig. 1 Experimental platform
2 結(jié)果與討論
2.1 鋰離子電池?zé)崾Э販囟茸兓?/h3>
分別選取10 mm及1 mm氣凝膠氈進(jìn)行研究，其中10 mm是常見(jiàn)氣凝膠氈的厚度；1 mm為目前航空運(yùn)輸包裝紙箱中的隔板厚度，便于同等厚度對(duì)比分析。此前，胡棋威[11]已在絕熱體系下開(kāi)展了10 mm氣凝膠氈對(duì)6 Ah三元鋰離子電池?zé)崾Э刈韪魧?shí)驗(yàn)，本研究將繼續(xù)探討其對(duì)2.6 Ah鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑サ淖韪粲行?。?shí)驗(yàn)中將熱電偶分別固定在加熱棒、電池A以及電池B的壁面上，電池中間放置厚10 mm，長(zhǎng)寬分別為18和65 mm的氣凝膠隔熱氈，電池排列及隔熱氈示意圖如圖2所示，實(shí)驗(yàn)后的電池如圖3所示。
圖2 電池及氣凝膠氈示意圖Fig. 2 Schematic diagram of batteries and aerogel blanket
在過(guò)熱情況下鋰離子電池會(huì)發(fā)生熱失控，在80～120 ℃時(shí)，固體電解質(zhì)界面(solid electrolyte interface,SEI)膜會(huì)首先發(fā)生分解，失去SEI膜保護(hù)的負(fù)極直接與電解液接觸，嵌入負(fù)極中的鋰離子會(huì)與電解液發(fā)生反應(yīng)生成CO氣體，200 ℃左右隔膜融化，內(nèi)部短路，生成大量熱量，接連促進(jìn)電解液以及正極物質(zhì)的分解，生成的氣體量不斷增加，內(nèi)部氣體壓力超過(guò)安全閥臨界壓力的瞬間，電池內(nèi)部產(chǎn)生的可燃?xì)膺B帶著部分電極、電解液從正極噴出，可燃?xì)馀c艙內(nèi)氧氣在高溫下發(fā)生燃燒反應(yīng)；在可燃?xì)鉂舛燃皽囟容^低時(shí)，電池將不會(huì)發(fā)生燃燒，而僅僅釋放氣體。10 mm氣凝膠氈實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖4所示，熱失控發(fā)生時(shí)，100%SOC鋰離子電池發(fā)生劇烈噴射，釋放的可燃?xì)庠谡龢O口發(fā)生燃燒產(chǎn)生強(qiáng)烈的射流火，火焰并非始終垂直于燃爆電池，而是向四周擴(kuò)散噴射燃燒，而30%SOC鋰離子電池僅釋放煙氣，未發(fā)生劇烈燃爆。由于圓柱形鋰離子電池內(nèi)部為卷繞型結(jié)構(gòu)，在單側(cè)受熱時(shí)，熱量由接觸面向電池內(nèi)部逐層傳遞，遠(yuǎn)離加熱棒一側(cè)溫升速率較低，電池內(nèi)部熱失控程度不同。當(dāng)熱失控發(fā)生后，鋰電池內(nèi)部發(fā)生的一系列化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體，該氣體主要由電池正負(fù)極分解、電極與電解液反應(yīng)以及電解液分解所產(chǎn)生。由于正極、負(fù)極、隔膜呈卷繞狀排布在圓柱殼體中，使產(chǎn)生的氣體不均勻地分布在電池內(nèi)部各處。當(dāng)泄壓閥打開(kāi)后，正極附近的氣體率先沖破泄壓閥，熱失控使得電池內(nèi)部層狀物質(zhì)不再呈均勻卷狀排布，在池體內(nèi)部形成多個(gè)連接點(diǎn)，由此導(dǎo)致分布在中下部的氣體被內(nèi)部電極層堵塞，難以全部從正極排氣區(qū)域釋放，氣體在過(guò)高的壓力及溫度的作用下沖破電池負(fù)極端口，同時(shí)鋰離子電池表面也發(fā)生不同程度的破裂，如圖3所示。電池溫度變化如圖5。
(a) 30%SOC鋰離子電池10 mm氣凝膠氈實(shí)驗(yàn)圖；(b) 100%SOC鋰離子電池10 mm氣凝膠氈實(shí)驗(yàn)圖；(c) 30%SOC鋰離子電池1 mm氣凝膠氈實(shí)驗(yàn)圖；(d) 100%SOC鋰離子電池1 mm氣凝膠氈實(shí)驗(yàn)圖；(e)、(f) 燃燒后的100%SOC電池圖圖3 實(shí)驗(yàn)后電池圖Fig. 3 Batteries after experiment
圖4 10 mm氣凝膠氈實(shí)驗(yàn)過(guò)程圖Fig. 4 Process diagram of 10 mm aerogel blanket experiment
圖5 在10 mm氣凝膠氈下鋰離子電池溫度變化 Fig. 5 Temperature change of lithium ion batteries with 10mm aerogel blanket
從圖5可以看出，30%SOC鋰離子電池B的溫度上升緩慢，在電池A熱失控過(guò)程中，電池B的最高溫度僅52 ℃，隨后緩慢下降至37 ℃。反應(yīng)后電池A表面焦黑，相鄰氣凝膠氈薄層受熱硬化，其余氈層無(wú)明顯變化。電池A平均質(zhì)量為39.8 g，質(zhì)量損失率為13.48%。而由于100%SOC鋰離子電池電化學(xué)能含量較高，內(nèi)部活性物質(zhì)反應(yīng)劇烈，在熱失控瞬間放出大量熱，使電池A的溫度發(fā)生了階躍性變化。燃爆瞬間，電池A噴射大量火星，產(chǎn)生強(qiáng)烈的射流火，直接對(duì)其相鄰的氣凝膠氈進(jìn)行加熱使得氣凝膠氈表層焦糊變硬，此時(shí)氣凝膠氈的熱導(dǎo)率有小幅度上升，使瞬時(shí)傳熱量增大，隨后熱導(dǎo)率降至較低水平。根據(jù)圖5所示兩種電量下電池AB的溫差曲線(xiàn)可知，電池A、B的最高溫差高達(dá)698 ℃。其中，在幾組100%SOC的實(shí)驗(yàn)中，氣凝膠氈未發(fā)生硬化，而是有約0.5 mm的薄層粘附在電池表面熔融的鋁殼上，靠近正極附近的氈層被射流火熏黑，火焰波及氣凝膠氈寬度最高達(dá)到9.2 mm，下部氣凝膠氈保持完好，拆解時(shí)部分脆化的氈層呈粉狀逸散至空氣中。在氣凝膠氈的隔熱作用下，電池B溫度僅升高至73 ℃，隨后回落至50 ℃，電池A的燃爆余溫使B的溫度繼續(xù)緩慢增加至52 ℃后逐漸下降至室溫。反應(yīng)后100%SOC電池A的平均質(zhì)量為32.5 g，質(zhì)量損失率為29.35%。根據(jù)傅里葉定律，導(dǎo)熱熱流密度的大小與溫度梯度的絕對(duì)值成正比，通過(guò)熱流量公式可以計(jì)算氣凝膠氈右側(cè)的熱流量，如式(1)[15]所示。
(1)
其中：ξ為氣凝膠氈厚度，m；A為氣凝膠氈受熱截面面積，m2，根據(jù)長(zhǎng)度0.018 m與寬度0.065 m計(jì)算而得；λ為氣凝膠氈導(dǎo)熱率，W/(m·K)，各溫度下的導(dǎo)熱率如表1所示；TA為氣凝膠左側(cè)電池A的壁面溫度，TB為氣凝膠右側(cè)電池B的壁面溫度，分別取電池A、B的壁面溫度。
表1 氣凝膠氈的導(dǎo)熱率Tab. 1 Thermal conductivity of aerogel blanket
熱傳遞速率與傳遞物體厚度成反比、與橫截面積成正比、與溫度差成正比。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到10 mm氣凝膠氈右側(cè)電池B壁面的熱流量如圖6所示。其中最大熱流量分別為5.09和1.95 W，100%SOC鋰離子電池放熱量約為30%SOC電池放熱量的2.5倍，100%SOC電池燃爆瞬間產(chǎn)生的大量熱量使氣凝膠氈溫度達(dá)到700 ℃以上，此時(shí)氣凝膠氈的熱導(dǎo)率在0.05～0.061 W/(m·K)，熱量在氣凝膠氈中的傳遞量變大，但氣凝膠氈仍然會(huì)阻隔大部分熱量，阻隔了熱失控向電池B的傳播。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氣凝膠氈未發(fā)生燃燒，阻燃性良好，實(shí)驗(yàn)后的氣凝膠氈無(wú)明顯形變，仍然起到很好的支撐作用。由此可知，10 mm氣凝膠氈有效阻隔了30% SOC以及100%SOC鋰離子電池發(fā)生熱失控。
圖6 10mm氣凝膠氈阻隔時(shí)電池B熱流量Fig. 6 Heat flux of battery B with 10mm aerogel blanket
紙質(zhì)隔板無(wú)法阻隔熱失控傳播，反而會(huì)在電池?zé)崾Э剡^(guò)程中先一步發(fā)生燃燒，使電池處于過(guò)熱狀態(tài)，促使熱失控進(jìn)一步蔓延至更多電池[12]。為了進(jìn)一步保障電池運(yùn)輸安全，在不改變包裝內(nèi)電池?cái)?shù)量及包裝大小的前提下，本研究采用與現(xiàn)有包裝中的紙質(zhì)隔板同等厚度的1 mm氣凝膠隔熱氈進(jìn)行熱傳播性測(cè)試。實(shí)驗(yàn)后的電池組如圖3所示，由于在1 mm氣凝膠氈阻隔時(shí)30%SOC及100%SOC鋰離子電池B均未發(fā)生熱失控，實(shí)驗(yàn)過(guò)程與10 mm氣凝膠氈實(shí)驗(yàn)相近，因此實(shí)驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖4。兩種電量下的鋰離子電池溫度變化如圖7所示，100%SOC電池B的最高溫度為148 ℃，30%SOC電池B最高溫度達(dá)到133 ℃。由此可知，1 mm氣凝膠氈對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э氐膫鞑ト跃哂休^好的阻隔作用。盡管兩種電量下的電池B未發(fā)生熱失控，但電池B的溫度仍然達(dá)到了內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)臨界溫度，開(kāi)始進(jìn)行自反應(yīng)放熱，但由于溫度沒(méi)有進(jìn)一步上升，所以電池未發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)生氣體未達(dá)到安全閥臨界值，沒(méi)有發(fā)生排氣、燃燒等現(xiàn)象。為了排除長(zhǎng)時(shí)間后的電池B熱失控情況，每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后均進(jìn)行半小時(shí)靜置觀察，期間未發(fā)現(xiàn)電池B發(fā)生熱失控。
圖7 在1 mm氣凝膠隔熱氈下鋰離子電池溫度變化Fig. 7 Temperature change of lithium ion batteries with 1mm aerogel blanket
1 mm氣凝膠氈實(shí)驗(yàn)中，電池B的壁面熱流量曲線(xiàn)如圖8所示。100%SOC電池與30%SOC電池B的熱流量最高為43.31和16.02 W，該值約為10 mm氣凝膠氈熱流量的8倍。由此可推斷出，氣凝膠氈的保溫隔熱能力與厚度呈正比，1 mm氣凝膠氈僅能阻隔少部分熱量，在過(guò)熱環(huán)境中1 mm氣凝膠氈盡管在阻燃隔熱作用上優(yōu)于紙質(zhì)隔板，但仍然無(wú)法阻隔熱量傳遞至相鄰電池，如改變加熱方式或增大熱源輻射，使用1 mm氣凝膠氈的電池組仍然有發(fā)生熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。
2.2 鋰離子電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生煙氣分析
煙氣中O2、CO、CO2濃度的變化情況實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。
圖9 鋰離子電池?zé)煔鉂舛茸兓疐ig. 9 Change of gas concentration of lithium ion batteries
在10 mm氣凝膠氈實(shí)驗(yàn)中，30%SOC電池的安全閥在3分27秒打開(kāi)，此時(shí)鋰電池處于陰燃狀態(tài)，僅有少量煙霧從正極口釋放，此時(shí)產(chǎn)生的CO是由內(nèi)部材料間的化學(xué)反應(yīng)以及CO2的還原反應(yīng)生成，如式(2)和(3)所示。
2CO2+2Li++2e-→Li2CO3+CO↑，
(2)
C3H4O3+2Li→CO↑+CH3OLi+C2H5OLi。
(3)
在4分18秒，電池A內(nèi)部活性材料劇烈反應(yīng)，釋放大量CO及CO2，在極短的時(shí)間內(nèi)煙霧即彌漫至整個(gè)艙體，由于可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)未達(dá)到燃燒極限，所以電池未發(fā)生燃燒，CO及CO2的峰值濃度分別為0.05%和0.30%，氧氣濃度最終維持在20.60%左右。在此過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣全部是由電池A所釋放，電池B未發(fā)生排氣。100%SOC鋰離子電池A在2分49秒時(shí)安全閥破裂，此時(shí)O2進(jìn)入電池內(nèi)部，加快電池內(nèi)部熱分解反應(yīng)。在3分15秒電池A發(fā)生了劇烈燃燒，電池內(nèi)部可燃性氣體混合物噴濺而出，在鋰電池正極口與空氣混合形成持續(xù)的射流火，此時(shí)電池A在外部加熱棒熱源以及自身火焰對(duì)其熱反饋的雙重作用下，內(nèi)部材料熱解及燃燒反應(yīng)加速，釋放大量CO2及不完全燃燒產(chǎn)生的CO，三次實(shí)驗(yàn)中的CO2和CO濃度最大值分別為2.80%和0.46%，可燃?xì)獾娜紵磻?yīng)使艙內(nèi)氧氣被迅速消耗至17.10%，隨后火焰熄滅，氧氣濃度逐漸回升。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，電池B僅表面被電池A燃燒噴射的火星熏黑，并未發(fā)生熱失控。在1 mm氣凝膠氈實(shí)驗(yàn)中，煙氣濃度和10 mm氣凝膠實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的煙氣濃度十分接近。微弱的差別可能由氣凝膠氈受熱分解釋放的氣體所引起，由于1 mm氣凝膠隔熱氈層在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后整體變硬呈焦黑狀，此時(shí)僅有少量氈層分解，于是CO、CO2釋放量較小。所以在1 mm實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)的CO、CO2氣體濃度略小于10 mm氣凝膠氈實(shí)驗(yàn)情況下的CO、CO2氣體濃度。
綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，氣凝膠氈具有良好的防火阻燃性，在鋰離子電池?zé)崾Э氐母邷叵?，氣凝膠氈仍能保持較低的導(dǎo)熱率、較少的產(chǎn)煙量以及良好的完整性，隔熱效果較好。在電池組中利用氣凝膠氈進(jìn)行阻隔，將有效降低電池間的傳熱量，延緩電池組中熱失控的傳播，減少損壞的電池?cái)?shù)，更好保障運(yùn)輸貨物及人員安全，具有良好的使用前景。由于本研究?jī)H初步分析了兩種厚度氣凝膠氈對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑サ淖韪粲行?，?duì)氣凝膠氈隔熱性能的研究尚不全面，下面需進(jìn)一步開(kāi)展更多厚度的研究，并在多場(chǎng)景下分析氣凝膠氈的實(shí)際應(yīng)用效果，綜合分析氣凝膠氈的隔熱性。
3 結(jié)論
研究了10 mm和1 mm氣凝膠氈對(duì)100%SOC及30%SOC鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑プ韪粲行?，通過(guò)分析熱失控起始溫度、峰值溫度、熱流量、煙氣濃度及質(zhì)量損失的變化情況，得出以下主要結(jié)論。
1) 10 mm氣凝膠氈可以有效阻斷熱失控的傳播，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中僅被加熱棒直接加熱的電池發(fā)生熱失控。被10 mm氣凝膠氈阻隔的100%SOC及30%SOC的鋰離子電池的最高溫度分別為73和52 ℃，壁面最高熱流量分別為5.09和1.95 W。10 mm氣凝膠氈阻斷熱失控效果較好，在氣凝膠氈的阻隔作用下，相鄰電池均未發(fā)生泄壓閥破裂。
2) 1 mm氣凝膠氈的阻隔效果優(yōu)于普通紙箱，相鄰電池未發(fā)生熱失控，被1 mm氣凝膠氈阻隔的100%SOC及30%SOC電池的最高溫度分別為148和133 ℃，壁面最高熱流量分別為43.31和16.02 W。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中被阻隔電池的最高溫度超過(guò)電池的安全使用溫度，電池內(nèi)部已發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，對(duì)電池性能造成一定影響。如增大熱源強(qiáng)度，將有一定概率引發(fā)相鄰電池發(fā)生熱失控，造成熱失控在電池組中的傳播。
3) 100%SOC鋰離子電池的CO、CO2產(chǎn)量及O2消耗量大于30%SOC的鋰離子電池，使用1 mm氣凝膠氈時(shí)的CO、CO2產(chǎn)量小于10 mm氣凝膠氈阻隔情況下的產(chǎn)量，10 mm氣凝膠氈在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中熱解釋放了部分煙氣。
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伊笑瑩，李澤錕，劉全義，魏超越，劉 濤
(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 民航安全工程學(xué)院，四川 廣漢 618307)
鋰離子電池因其優(yōu)異的充電儲(chǔ)能特性被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中，一大批國(guó)內(nèi)優(yōu)秀的鋰電池品牌迅速崛起，逐漸成為鋰電池行業(yè)中的翹楚[1]。但隨著鋰電池的旺盛發(fā)展，與鋰電池安全相關(guān)的事件熱度也在上升，在過(guò)熱、過(guò)充等非正常情況下鋰離子電池會(huì)發(fā)生熱失控，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量并迅速開(kāi)始燃燒，伴隨著噴濺爆炸等現(xiàn)象，進(jìn)而引起熱失控在成組貨物間的傳遞，給民航運(yùn)輸安全帶來(lái)極大威脅[2]。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局2019年發(fā)布的事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示[3]，自1991年以來(lái)，航空貨運(yùn)和旅客行李中發(fā)生了241起鋰離子電池事故，其中大部分是由鋰離子電池突然發(fā)生熱失控所引起的火災(zāi)或爆炸。從鋰電池本身特性分析來(lái)看，發(fā)生危險(xiǎn)事故的鋰電池大多為滿(mǎn)電狀態(tài)的電池[4]，在航空運(yùn)輸過(guò)程中受到不同程度的機(jī)械擠壓、熱濫用等影響，使鋰電池發(fā)生一系列放熱反應(yīng)引發(fā)熱失控[5]。目前的研究主要集中于鋰電池?zé)崾Э貦C(jī)理、鋰電池?zé)峁芾矸椒?、鋰電池電解液及正?fù)極材料對(duì)鋰電池安全性的影響、鋰電池?zé)崾Э卦诔山M貨物中的傳遞、不同滅火方式對(duì)鋰電池的滅火效果研究以及針刺等引發(fā)的熱失控特性研究，而關(guān)于鋰電池在不同包裝及不同隔板材料下的熱失控特性研究較少。劉全義等[6-8]研究了鋰離子電池在不同環(huán)境壓力及熱源功率下的燃爆特性，發(fā)現(xiàn)在低壓環(huán)境下鋰離子電池的初始燃爆溫度較高、發(fā)生燃爆的時(shí)間較長(zhǎng)；隨著熱源功率的增加，鋰離子電池初始燃爆時(shí)間減少，溫升速率增加，燃爆峰值溫度升高。陳才星等[9]研究了環(huán)氧樹(shù)脂板對(duì)方形鋁殼電池的熱失控阻隔作用，結(jié)果表明，環(huán)氧樹(shù)脂板可降低模組最高溫度。秦帥星[10]研究了瓦楞紙和玻璃纖維隔板及蓋板包裝對(duì)熱失控的影響，結(jié)果顯示，玻璃纖維板能顯著提高鋰離子電池安全性。胡棋威[11]研究了1 cm氣凝膠隔熱板對(duì)鋰離子電池的熱失控傳播阻隔特性，研究表明，在電池間設(shè)置隔熱板可以隔離電池爆炸時(shí)噴射出的電芯物質(zhì)，并大幅削弱熱輻射和對(duì)流的作用，能有效阻止熱失控的傳播，但實(shí)驗(yàn)中電池均采用鐵架進(jìn)行固定，無(wú)法避免導(dǎo)熱對(duì)電池的影響，使實(shí)驗(yàn)存在誤差。張青松等[12]研究了包裝材料對(duì)18650 型鋰離子電池燃爆的影響，結(jié)果顯示，用瓦楞紙包裝時(shí)不能提高鋰離子電池安全性。
阻斷鋰離子電池之間的熱失控傳播，將鋰離子電池組熱失控危害控制在較小程度，是解決鋰離子電池組安全問(wèn)題的重要技術(shù)途徑。本研究將開(kāi)展氣凝膠氈對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑プ韪粲行匝芯浚灾髟O(shè)計(jì)并搭建鋰離子電池燃爆實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究不同材料厚度、電池SOC對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑ミ^(guò)程的影響。根據(jù)《鋰電池航空運(yùn)輸規(guī)范(MH/T 1020—2018)》可知，民航運(yùn)輸過(guò)程中鋰離子電池的電量不應(yīng)超過(guò)30%，因此選用30%SOC以及危險(xiǎn)性最大的100%SOC鋰離子電池進(jìn)行研究，分析10 mm及1 mm氣凝膠氈阻隔情況下，電池?zé)崾Э仄鹗紲囟取⒎逯禍囟取煔鉂舛?、熱流量、質(zhì)量損失等特征參數(shù)的變化，以為航空運(yùn)輸鋰電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)防治和包裝設(shè)計(jì)提供參考。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 氣凝膠材料隔熱原理分析
氣凝膠隔熱材料的孔隙率占整體積的90%以上[13]，可以很好地抑制對(duì)流換熱、導(dǎo)熱以及輻射換熱。然而，孔隙的增加又使得孔隙內(nèi)氣體的對(duì)流導(dǎo)熱增大和材料熱導(dǎo)率提高。氣凝膠隔熱材料采取減小孔隙直徑的辦法來(lái)改善隔熱性，使孔隙的平均直徑降為50～60 nm，而空氣分子的平均自由程為70 nm左右。在如此小的空隙中，空氣幾乎無(wú)法流動(dòng)，從而抑制了空氣的對(duì)流導(dǎo)熱。此外，由于大量納米級(jí)孔洞的存在，使氣凝膠材料具有無(wú)限多的孔壁，這些孔壁均可視為輻射的反射面和折射面。毫米厚度的氣凝膠材料即含有上萬(wàn)層的反射面和折射面，很好地阻隔了輻射導(dǎo)熱。根據(jù)氣凝膠產(chǎn)品的導(dǎo)熱率隨溫度變化情況[14]可知，氣凝膠氈和氣凝膠板的導(dǎo)熱率差異十分微小，但氣凝膠板切割不便、重量大，故本實(shí)驗(yàn)采用氣凝膠氈進(jìn)行隔熱性測(cè)試。
1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
自行搭建的鋰離子電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，主艙體長(zhǎng)寬高均為0.5 m，艙頂設(shè)有0.15 m坡度，便于煙氣的收集。實(shí)驗(yàn)艙采用304不銹鋼板，硬度高，抗沖擊性強(qiáng)，耐熱性良好，不易生銹。艙門(mén)部分采用透明耐高溫板，便于觀察實(shí)驗(yàn)全過(guò)程。艙門(mén)艙體連接處纏繞密封條，保障艙門(mén)與艙體的密封性。溫度檢測(cè)裝置采用K型熱電偶，測(cè)量電池及加熱棒溫度。熱源選用100 W宏威加熱棒，觸發(fā)電池發(fā)生熱失控。鋰電池產(chǎn)生的煙氣通過(guò)采集管連接到OPTIMA7型煙氣分析儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)CO、CO2及O2濃度，煙氣采集管另一端接入實(shí)驗(yàn)艙頂中心的圓孔，對(duì)實(shí)驗(yàn)全過(guò)程產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行采集。采用NI-cDAQ-9135采集系統(tǒng)以0.01 s的頻率持續(xù)采集溫度數(shù)據(jù)。使用坤宏高精度電子天平進(jìn)行電池質(zhì)量的采集，量程為6 kg，顯示精度為0.1 g。實(shí)驗(yàn)選取容量為2 600 mA的18650型鋰離子電池(LR1865SZ)，標(biāo)稱(chēng)電壓為3.7 V。進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，保障實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig. 1 Experimental platform
2 結(jié)果與討論
2.1 鋰離子電池?zé)崾Э販囟茸兓?/h3>
分別選取10 mm及1 mm氣凝膠氈進(jìn)行研究，其中10 mm是常見(jiàn)氣凝膠氈的厚度；1 mm為目前航空運(yùn)輸包裝紙箱中的隔板厚度，便于同等厚度對(duì)比分析。此前，胡棋威[11]已在絕熱體系下開(kāi)展了10 mm氣凝膠氈對(duì)6 Ah三元鋰離子電池?zé)崾Э刈韪魧?shí)驗(yàn)，本研究將繼續(xù)探討其對(duì)2.6 Ah鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑サ淖韪粲行?。?shí)驗(yàn)中將熱電偶分別固定在加熱棒、電池A以及電池B的壁面上，電池中間放置厚10 mm，長(zhǎng)寬分別為18和65 mm的氣凝膠隔熱氈，電池排列及隔熱氈示意圖如圖2所示，實(shí)驗(yàn)后的電池如圖3所示。
圖2 電池及氣凝膠氈示意圖Fig. 2 Schematic diagram of batteries and aerogel blanket
在過(guò)熱情況下鋰離子電池會(huì)發(fā)生熱失控，在80～120 ℃時(shí)，固體電解質(zhì)界面(solid electrolyte interface,SEI)膜會(huì)首先發(fā)生分解，失去SEI膜保護(hù)的負(fù)極直接與電解液接觸，嵌入負(fù)極中的鋰離子會(huì)與電解液發(fā)生反應(yīng)生成CO氣體，200 ℃左右隔膜融化，內(nèi)部短路，生成大量熱量，接連促進(jìn)電解液以及正極物質(zhì)的分解，生成的氣體量不斷增加，內(nèi)部氣體壓力超過(guò)安全閥臨界壓力的瞬間，電池內(nèi)部產(chǎn)生的可燃?xì)膺B帶著部分電極、電解液從正極噴出，可燃?xì)馀c艙內(nèi)氧氣在高溫下發(fā)生燃燒反應(yīng)；在可燃?xì)鉂舛燃皽囟容^低時(shí)，電池將不會(huì)發(fā)生燃燒，而僅僅釋放氣體。10 mm氣凝膠氈實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖4所示，熱失控發(fā)生時(shí)，100%SOC鋰離子電池發(fā)生劇烈噴射，釋放的可燃?xì)庠谡龢O口發(fā)生燃燒產(chǎn)生強(qiáng)烈的射流火，火焰并非始終垂直于燃爆電池，而是向四周擴(kuò)散噴射燃燒，而30%SOC鋰離子電池僅釋放煙氣，未發(fā)生劇烈燃爆。由于圓柱形鋰離子電池內(nèi)部為卷繞型結(jié)構(gòu)，在單側(cè)受熱時(shí)，熱量由接觸面向電池內(nèi)部逐層傳遞，遠(yuǎn)離加熱棒一側(cè)溫升速率較低，電池內(nèi)部熱失控程度不同。當(dāng)熱失控發(fā)生后，鋰電池內(nèi)部發(fā)生的一系列化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體，該氣體主要由電池正負(fù)極分解、電極與電解液反應(yīng)以及電解液分解所產(chǎn)生。由于正極、負(fù)極、隔膜呈卷繞狀排布在圓柱殼體中，使產(chǎn)生的氣體不均勻地分布在電池內(nèi)部各處。當(dāng)泄壓閥打開(kāi)后，正極附近的氣體率先沖破泄壓閥，熱失控使得電池內(nèi)部層狀物質(zhì)不再呈均勻卷狀排布，在池體內(nèi)部形成多個(gè)連接點(diǎn)，由此導(dǎo)致分布在中下部的氣體被內(nèi)部電極層堵塞，難以全部從正極排氣區(qū)域釋放，氣體在過(guò)高的壓力及溫度的作用下沖破電池負(fù)極端口，同時(shí)鋰離子電池表面也發(fā)生不同程度的破裂，如圖3所示。電池溫度變化如圖5。
(a) 30%SOC鋰離子電池10 mm氣凝膠氈實(shí)驗(yàn)圖；(b) 100%SOC鋰離子電池10 mm氣凝膠氈實(shí)驗(yàn)圖；(c) 30%SOC鋰離子電池1 mm氣凝膠氈實(shí)驗(yàn)圖；(d) 100%SOC鋰離子電池1 mm氣凝膠氈實(shí)驗(yàn)圖；(e)、(f) 燃燒后的100%SOC電池圖圖3 實(shí)驗(yàn)后電池圖Fig. 3 Batteries after experiment
圖4 10 mm氣凝膠氈實(shí)驗(yàn)過(guò)程圖Fig. 4 Process diagram of 10 mm aerogel blanket experiment
圖5 在10 mm氣凝膠氈下鋰離子電池溫度變化 Fig. 5 Temperature change of lithium ion batteries with 10mm aerogel blanket
從圖5可以看出，30%SOC鋰離子電池B的溫度上升緩慢，在電池A熱失控過(guò)程中，電池B的最高溫度僅52 ℃，隨后緩慢下降至37 ℃。反應(yīng)后電池A表面焦黑，相鄰氣凝膠氈薄層受熱硬化，其余氈層無(wú)明顯變化。電池A平均質(zhì)量為39.8 g，質(zhì)量損失率為13.48%。而由于100%SOC鋰離子電池電化學(xué)能含量較高，內(nèi)部活性物質(zhì)反應(yīng)劇烈，在熱失控瞬間放出大量熱，使電池A的溫度發(fā)生了階躍性變化。燃爆瞬間，電池A噴射大量火星，產(chǎn)生強(qiáng)烈的射流火，直接對(duì)其相鄰的氣凝膠氈進(jìn)行加熱使得氣凝膠氈表層焦糊變硬，此時(shí)氣凝膠氈的熱導(dǎo)率有小幅度上升，使瞬時(shí)傳熱量增大，隨后熱導(dǎo)率降至較低水平。根據(jù)圖5所示兩種電量下電池AB的溫差曲線(xiàn)可知，電池A、B的最高溫差高達(dá)698 ℃。其中，在幾組100%SOC的實(shí)驗(yàn)中，氣凝膠氈未發(fā)生硬化，而是有約0.5 mm的薄層粘附在電池表面熔融的鋁殼上，靠近正極附近的氈層被射流火熏黑，火焰波及氣凝膠氈寬度最高達(dá)到9.2 mm，下部氣凝膠氈保持完好，拆解時(shí)部分脆化的氈層呈粉狀逸散至空氣中。在氣凝膠氈的隔熱作用下，電池B溫度僅升高至73 ℃，隨后回落至50 ℃，電池A的燃爆余溫使B的溫度繼續(xù)緩慢增加至52 ℃后逐漸下降至室溫。反應(yīng)后100%SOC電池A的平均質(zhì)量為32.5 g，質(zhì)量損失率為29.35%。根據(jù)傅里葉定律，導(dǎo)熱熱流密度的大小與溫度梯度的絕對(duì)值成正比，通過(guò)熱流量公式可以計(jì)算氣凝膠氈右側(cè)的熱流量，如式(1)[15]所示。
(1)
其中：ξ為氣凝膠氈厚度，m；A為氣凝膠氈受熱截面面積，m2，根據(jù)長(zhǎng)度0.018 m與寬度0.065 m計(jì)算而得；λ為氣凝膠氈導(dǎo)熱率，W/(m·K)，各溫度下的導(dǎo)熱率如表1所示；TA為氣凝膠左側(cè)電池A的壁面溫度，TB為氣凝膠右側(cè)電池B的壁面溫度，分別取電池A、B的壁面溫度。
表1 氣凝膠氈的導(dǎo)熱率Tab. 1 Thermal conductivity of aerogel blanket
熱傳遞速率與傳遞物體厚度成反比、與橫截面積成正比、與溫度差成正比。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到10 mm氣凝膠氈右側(cè)電池B壁面的熱流量如圖6所示。其中最大熱流量分別為5.09和1.95 W，100%SOC鋰離子電池放熱量約為30%SOC電池放熱量的2.5倍，100%SOC電池燃爆瞬間產(chǎn)生的大量熱量使氣凝膠氈溫度達(dá)到700 ℃以上，此時(shí)氣凝膠氈的熱導(dǎo)率在0.05～0.061 W/(m·K)，熱量在氣凝膠氈中的傳遞量變大，但氣凝膠氈仍然會(huì)阻隔大部分熱量，阻隔了熱失控向電池B的傳播。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氣凝膠氈未發(fā)生燃燒，阻燃性良好，實(shí)驗(yàn)后的氣凝膠氈無(wú)明顯形變，仍然起到很好的支撐作用。由此可知，10 mm氣凝膠氈有效阻隔了30% SOC以及100%SOC鋰離子電池發(fā)生熱失控。
圖6 10mm氣凝膠氈阻隔時(shí)電池B熱流量Fig. 6 Heat flux of battery B with 10mm aerogel blanket
紙質(zhì)隔板無(wú)法阻隔熱失控傳播，反而會(huì)在電池?zé)崾Э剡^(guò)程中先一步發(fā)生燃燒，使電池處于過(guò)熱狀態(tài)，促使熱失控進(jìn)一步蔓延至更多電池[12]。為了進(jìn)一步保障電池運(yùn)輸安全，在不改變包裝內(nèi)電池?cái)?shù)量及包裝大小的前提下，本研究采用與現(xiàn)有包裝中的紙質(zhì)隔板同等厚度的1 mm氣凝膠隔熱氈進(jìn)行熱傳播性測(cè)試。實(shí)驗(yàn)后的電池組如圖3所示，由于在1 mm氣凝膠氈阻隔時(shí)30%SOC及100%SOC鋰離子電池B均未發(fā)生熱失控，實(shí)驗(yàn)過(guò)程與10 mm氣凝膠氈實(shí)驗(yàn)相近，因此實(shí)驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖4。兩種電量下的鋰離子電池溫度變化如圖7所示，100%SOC電池B的最高溫度為148 ℃，30%SOC電池B最高溫度達(dá)到133 ℃。由此可知，1 mm氣凝膠氈對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э氐膫鞑ト跃哂休^好的阻隔作用。盡管兩種電量下的電池B未發(fā)生熱失控，但電池B的溫度仍然達(dá)到了內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)臨界溫度，開(kāi)始進(jìn)行自反應(yīng)放熱，但由于溫度沒(méi)有進(jìn)一步上升，所以電池未發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)生氣體未達(dá)到安全閥臨界值，沒(méi)有發(fā)生排氣、燃燒等現(xiàn)象。為了排除長(zhǎng)時(shí)間后的電池B熱失控情況，每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后均進(jìn)行半小時(shí)靜置觀察，期間未發(fā)現(xiàn)電池B發(fā)生熱失控。
圖7 在1 mm氣凝膠隔熱氈下鋰離子電池溫度變化Fig. 7 Temperature change of lithium ion batteries with 1mm aerogel blanket
1 mm氣凝膠氈實(shí)驗(yàn)中，電池B的壁面熱流量曲線(xiàn)如圖8所示。100%SOC電池與30%SOC電池B的熱流量最高為43.31和16.02 W，該值約為10 mm氣凝膠氈熱流量的8倍。由此可推斷出，氣凝膠氈的保溫隔熱能力與厚度呈正比，1 mm氣凝膠氈僅能阻隔少部分熱量，在過(guò)熱環(huán)境中1 mm氣凝膠氈盡管在阻燃隔熱作用上優(yōu)于紙質(zhì)隔板，但仍然無(wú)法阻隔熱量傳遞至相鄰電池，如改變加熱方式或增大熱源輻射，使用1 mm氣凝膠氈的電池組仍然有發(fā)生熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。
2.2 鋰離子電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生煙氣分析
煙氣中O2、CO、CO2濃度的變化情況實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。
圖9 鋰離子電池?zé)煔鉂舛茸兓疐ig. 9 Change of gas concentration of lithium ion batteries
在10 mm氣凝膠氈實(shí)驗(yàn)中，30%SOC電池的安全閥在3分27秒打開(kāi)，此時(shí)鋰電池處于陰燃狀態(tài)，僅有少量煙霧從正極口釋放，此時(shí)產(chǎn)生的CO是由內(nèi)部材料間的化學(xué)反應(yīng)以及CO2的還原反應(yīng)生成，如式(2)和(3)所示。
2CO2+2Li++2e-→Li2CO3+CO↑，
(2)
C3H4O3+2Li→CO↑+CH3OLi+C2H5OLi。
(3)
在4分18秒，電池A內(nèi)部活性材料劇烈反應(yīng)，釋放大量CO及CO2，在極短的時(shí)間內(nèi)煙霧即彌漫至整個(gè)艙體，由于可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)未達(dá)到燃燒極限，所以電池未發(fā)生燃燒，CO及CO2的峰值濃度分別為0.05%和0.30%，氧氣濃度最終維持在20.60%左右。在此過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣全部是由電池A所釋放，電池B未發(fā)生排氣。100%SOC鋰離子電池A在2分49秒時(shí)安全閥破裂，此時(shí)O2進(jìn)入電池內(nèi)部，加快電池內(nèi)部熱分解反應(yīng)。在3分15秒電池A發(fā)生了劇烈燃燒，電池內(nèi)部可燃性氣體混合物噴濺而出，在鋰電池正極口與空氣混合形成持續(xù)的射流火，此時(shí)電池A在外部加熱棒熱源以及自身火焰對(duì)其熱反饋的雙重作用下，內(nèi)部材料熱解及燃燒反應(yīng)加速，釋放大量CO2及不完全燃燒產(chǎn)生的CO，三次實(shí)驗(yàn)中的CO2和CO濃度最大值分別為2.80%和0.46%，可燃?xì)獾娜紵磻?yīng)使艙內(nèi)氧氣被迅速消耗至17.10%，隨后火焰熄滅，氧氣濃度逐漸回升。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，電池B僅表面被電池A燃燒噴射的火星熏黑，并未發(fā)生熱失控。在1 mm氣凝膠氈實(shí)驗(yàn)中，煙氣濃度和10 mm氣凝膠實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的煙氣濃度十分接近。微弱的差別可能由氣凝膠氈受熱分解釋放的氣體所引起，由于1 mm氣凝膠隔熱氈層在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后整體變硬呈焦黑狀，此時(shí)僅有少量氈層分解，于是CO、CO2釋放量較小。所以在1 mm實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)的CO、CO2氣體濃度略小于10 mm氣凝膠氈實(shí)驗(yàn)情況下的CO、CO2氣體濃度。
綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，氣凝膠氈具有良好的防火阻燃性，在鋰離子電池?zé)崾Э氐母邷叵?，氣凝膠氈仍能保持較低的導(dǎo)熱率、較少的產(chǎn)煙量以及良好的完整性，隔熱效果較好。在電池組中利用氣凝膠氈進(jìn)行阻隔，將有效降低電池間的傳熱量，延緩電池組中熱失控的傳播，減少損壞的電池?cái)?shù)，更好保障運(yùn)輸貨物及人員安全，具有良好的使用前景。由于本研究?jī)H初步分析了兩種厚度氣凝膠氈對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑サ淖韪粲行?，?duì)氣凝膠氈隔熱性能的研究尚不全面，下面需進(jìn)一步開(kāi)展更多厚度的研究，并在多場(chǎng)景下分析氣凝膠氈的實(shí)際應(yīng)用效果，綜合分析氣凝膠氈的隔熱性。
3 結(jié)論
研究了10 mm和1 mm氣凝膠氈對(duì)100%SOC及30%SOC鋰離子電池?zé)崾Э貍鞑プ韪粲行?，通過(guò)分析熱失控起始溫度、峰值溫度、熱流量、煙氣濃度及質(zhì)量損失的變化情況，得出以下主要結(jié)論。
1) 10 mm氣凝膠氈可以有效阻斷熱失控的傳播，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中僅被加熱棒直接加熱的電池發(fā)生熱失控。被10 mm氣凝膠氈阻隔的100%SOC及30%SOC的鋰離子電池的最高溫度分別為73和52 ℃，壁面最高熱流量分別為5.09和1.95 W。10 mm氣凝膠氈阻斷熱失控效果較好，在氣凝膠氈的阻隔作用下，相鄰電池均未發(fā)生泄壓閥破裂。
2) 1 mm氣凝膠氈的阻隔效果優(yōu)于普通紙箱，相鄰電池未發(fā)生熱失控，被1 mm氣凝膠氈阻隔的100%SOC及30%SOC電池的最高溫度分別為148和133 ℃，壁面最高熱流量分別為43.31和16.02 W。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中被阻隔電池的最高溫度超過(guò)電池的安全使用溫度，電池內(nèi)部已發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，對(duì)電池性能造成一定影響。如增大熱源強(qiáng)度，將有一定概率引發(fā)相鄰電池發(fā)生熱失控，造成熱失控在電池組中的傳播。
3) 100%SOC鋰離子電池的CO、CO2產(chǎn)量及O2消耗量大于30%SOC的鋰離子電池，使用1 mm氣凝膠氈時(shí)的CO、CO2產(chǎn)量小于10 mm氣凝膠氈阻隔情況下的產(chǎn)量，10 mm氣凝膠氈在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中熱解釋放了部分煙氣。
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