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    鋰電池熱失控產氣極限氧濃度研究

    • 發布時間:2022-07-14
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    前言

    鋰離子電池熱失控過程會產生由多種可燃組分構成的混合氣體,這種熱解氣一旦被點燃會出現不可控的嚴重后果。測定鋰電池熱失控產氣的爆炸極限與極限氧濃度,可為儲能電站等爆炸性環境的氧濃度控制提供理論依據,有效預防爆炸和火災事故;也可為地下車庫等應用場景的通風設計提供數據支持,提高公共安全性。


    圖片1.png

    2021年1月12日上午6時23分(韓國當地時間)蔚山南區SK能源公司發生火災, 一幢三層電池儲能大樓被燒毀


    本次實驗選擇應用于儲能站的265Ah磷酸鐵鋰電芯,通過人工配氣模擬其熱失控所產生的混合氣體,并使用仰儀科技HWP21-30S型爆炸極限試驗儀進行產氣爆炸特性研究。實驗結果表明,常溫常壓下電池產氣的爆炸下限(LEL)為6.80%,爆炸上限(UEL)為40.63%,極限氧濃度(LOC)為7.50%。


    實驗部分

    1. 樣品準備

    (1)氮氣:純度不低于99.8 %(體積分數)。

    (2)待測混合氣體:成分比例如下圖,用以模擬磷酸鐵鋰電芯熱失控所產生的混合氣體。


    圖片1-0.png

    圖1 混合氣體組分含量


    2. 實驗條件

    實驗儀器:仰儀科技HWP21-30S爆炸極限試驗儀

    試驗模式:氣體試樣試驗

    容器體積:5L

    環境壓力:101.29kPa

    攪拌時間:5min

    點火溫度:20℃

    二次控溫:是


    圖2.png

    圖2 (a) HWP21-30S爆炸極限試驗儀; (b) 實驗裝置現場圖


    3. 測試方法

    (1)爆炸極限測定

    參見GB/T 21844-2008 化合物(蒸氣和氣體)易燃性濃度限值的標準試驗方法;GB/T 12474-2008空氣中可燃氣體爆炸極限測定方法。

    (2)極限氧濃度測定

    參見GB/T 38301-2019可燃氣體或蒸氣極限氧濃度測定方法。


    實驗結果

    1. 燃燒判定標準

    根據GB/T 21844-2008 化合物(蒸氣和氣體)易燃性濃度限值的標準試驗方法中提到的火焰的傳播的定義:在本試驗中,火焰前沿從點火源向上或向外到達器壁或至少離器壁13mm處的運動過程。向外擴散運動說明火焰前沿存在水平分量。


    圖3.png

    圖3 待測混合氣體被點燃的判定標準

    注:距離器壁13mm處用紅色圓圈表示。


    2. 爆炸極限實驗結果

    (1)爆炸下限

    進行爆炸下限測試時,測得最接近火焰傳播和火焰不傳播時的實驗效果如實驗錄像1所示,可以計算爆炸下限LEL=0.5×(6.526+7.077)%=6.80%。


    image.png

    實驗錄像1 (a) 火焰不傳播XTS =6.526%; (b) 火焰傳播XTS =7.077%


    (2)爆炸上限

    進行爆炸上限測試時,測得最接近火焰傳播和火焰不傳播時的實驗效果如下,可以計算爆炸上限UEL=0.5×(41.043+40.225)%=40.63%。


    image.png

    實驗錄像2 (a) 火焰不傳播XTS =41.043%; (b) 火焰傳播XTS =40.225%


    3. 極限氧濃度實驗結果

    極限氧濃度可利用三元圖進行分析,根據GB/T 38301-2019,當UEL≤ 0.8 × (100-Xair,L),適用簡易實驗程序。


    圖4 三相圖完整.png圖4 電池產氣極限氧濃度三元圖


    如圖4所示,通過程序實驗逐步確定爆炸區頂點空氣體積分數(Xair,L),并測定0.8倍頂點惰性氣體體積分數(0.8 Xin,L)的混合氣體爆炸極限,以驗證極限空氣濃度LAC位于爆炸區頂點,此時:

    LAC= Xair,L = 35.89

    隨后可通過公式計算混合氣體的極限氧濃度:

    LOC= LAC×0.209 =7.50

    待測混合氣體的三元圖既可以確定極限氧濃度,也可以表征爆炸區范圍,反映電池產氣的爆炸區臨界濃度分布規律。


    結論

    本文利用爆炸極限試驗儀測定了大容量磷酸鐵鋰電池單體熱失控產氣的極限氧濃度。以該數據為基礎,通過提高惰性氣體濃度或降低氧濃度進行抑爆設計,可以有效預防爆炸風險,提高儲能電站等應用場景的安全性。

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