一、背景介紹

隨著鋰離子電池在新能源汽車、儲能、消費類電子以及航空航天等重要行業的大規模應用，鋰電池的安全問題已引起社會的密切關注。熱失控是鋰電池安全事故的重要原因，它會引起鋰離子電池起火甚至爆炸，直接威脅用戶的安全。
若鋰電池單體在某種誘因下發生熱失控，電池材料將發生一系列劇烈的化學反應，產生大量熱量以及可燃、有毒的氣體，導致電池因內部溫度、壓力急劇升高而炸裂，可燃氣體隨之泄露，在高溫下遇到外界空氣引起劇烈燃燒，形成射流火或燃爆火球，從而引起周圍其他單體的失控，引發安全事故。電池的荷電狀態、服役時間以及材料體系等都會導致電池產氣成分變化，從而影響其燃爆特性及電池熱失控危險性[1]。
評估電池產氣的燃爆特性對于評價動力電池安全性具有重要意義，而爆炸極限是研究可燃氣體危險性的重要評估參數。

二、爆炸極限分析測試

在本案例中，采用國內某廠家50A·h、100%SOC的三元鋰電池，使用大型電池絕熱量熱儀（仰儀科技BAC-420A型）在惰性氣體氛圍中完成電池熱失控實驗。隨后對電池產氣進行收集，并利用氣相色譜對氣體成分進行分析，結果如下圖所示：

圖2 某鋰離子電池產氣成分色譜分析結果

該混合氣中的多種可燃氣體和惰性氣體可按照一定方法進行配對，并利用理查特里（Lechteillier）公式對混合氣的爆炸極限進行估算[2]：

其中Lm為混合氣體的爆炸極限；L1、L2、……、Ln為各組分的爆炸極限；V1、V2、…、Vn為各組分的含量。
經過計算可得該電池產氣的爆炸下限LFL=33.02%。
隨后我們通過實驗對上述計算進行驗證。如圖3所示，本案例使用爆炸極限試驗儀（仰儀科技HWP21-30S型）對混合氣的爆炸極限進行測試。通過該儀器可自動配氣，根據點火后的閃燃現象可判斷設定濃度下樣氣是否已達到爆炸極限。

圖3 (a) 電池產氣爆炸極限測試現場圖

實驗錄像：(b) 濃度30%，

實驗錄像：(c) 濃度40%，

實驗錄像：(d) 濃度35%，

實驗錄像：(e) 濃度32.5%。

由于氣體量限制，本案例總進行5次實驗，實驗結果匯總如下：

根據上述結果，該電池產氣的爆炸下限LFL范圍為32.5%-35%，其中32.5%濃度下爆炸較為微弱，該濃度與爆炸下限值已非常接近。同時，實驗值與理論計算值的符合程度較高，也相互印證了上述結果的可靠性。

三、實驗探討

本案例相對完整地闡釋了電池產氣爆炸極限測試方法，雖然實驗結果較好，但實驗本身仍存在一定的局限性。例如，鋰電池熱失控需在惰性氣體氛圍中發生，但大量惰性氣體引入將導致電池產氣LFL增大；另外，爆炸極限測試壓力條件目前尚不明確，常壓或高壓下LFL的測試結果略有差別（高壓測試需使用高溫高壓爆炸極限測試儀）。上述問題有待行業內專家共同探討，推動相關測試標準的建立。

參考文獻
[1] 崔發生, 魯琦, 蔣鋒等. 動力電池熱失控下可燃性氣體的研究.
[2] 張立志, 李學文, 張琪. 煤油氣共生礦井油型氣爆炸極限的測定[J]. 煤礦安全, 2018, 049(005):198-200,205.