锂电池热失控产气极限氧浓度研究

【预览】本文利用爆炸极限试验仪对磷酸铁锂电池单体（3.2V/265Ah）热失控产气的爆炸极限与极限氧浓度进行了研究，相关爆炸特性参数可为储能电站等应用场景的防爆抑爆设计提供理论依据。

一、前言

锂离子电池热失控过程会产生由多种可燃组分构成的混合气体，这种热解气一旦被点燃会出现不可控的严重后果。测定锂电池热失控产气的爆炸极限与极限氧浓度，可为储能电站等爆炸性环境的氧浓度控制提供理论依据，有效预防爆炸和火灾事故；也可为地下车库等应用场景的通风设计提供数据支持，提高公共安全性。

2021年1月12日上午6时23分（韩国当地时间）蔚山南区SK能源公司发生火灾, 一幢三层电池储能大楼被烧毁。

本次实验选择应用于储能站的265Ah磷酸铁锂电芯，通过人工配气模拟其热失控所产生的混合气体，并使用仰仪科技HWP21-30S型爆炸极限试验仪进行产气爆炸特性研究。实验结果表明，常温常压下电池产气的爆炸下限（LEL）为6.80%，爆炸上限（UEL）为40.63%，极限氧浓度（LOC）为7.50%。

二、实验部分

1. 样品准备

（1）氮气：纯度不低于99.8 %（体积分数）。

（2）待测混合气体：成分比例如下图，用以模拟磷酸铁锂电芯热失控所产生的混合气体。

图1 混合气体组分含量

2. 实验条件

实验仪器：仰仪科技HWP21-30S爆炸极限试验仪

试验模式：气体试样

试验容器体积：5L

环境压力：101.29kPa

搅拌时间：5min

点火温度：20℃

二次控温：是

图2 (a) HWP21-30S爆炸极限试验仪; (b) 实验装置现场图

3. 测试方法

（1）爆炸极限测定

参见GB/T 21844-2008 化合物(蒸气和气体)易燃性浓度限值的标准试验方法；GB/T 12474-2008空气中可燃气体爆炸极限测定方法。

（2）极限氧浓度测定

参见GB/T 38301-2019可燃气体或蒸气极限氧浓度测定方法。

三、实验结果

1. 燃烧判定标准

根据GB/T 21844-2008 化合物(蒸气和气体)易燃性浓度限值的标准试验方法中提到的火焰的传播的定义：在本试验中，火焰前沿从点火源向上或向外到达器壁或至少离器壁13mm处的运动过程。向外扩散运动说明火焰前沿存在水平分量。

图3 待测混合气体被点燃的判定标准

注：距离器壁13mm处用红色圆圈表示。

2. 爆炸极限实验结果

（1）爆炸下限

进行爆炸下限测试时，测得zui jie jin火焰传播和火焰不传播时的实验效果如实验录像1所示，可以计算爆炸下限LEL=0.5×(6.526+7.077)%=6.80%。

实验录像1 (a) 火焰不传播X_TS =6.526%; (b) 火焰传播X_TS =7.077%

（2）爆炸上限

进行爆炸上限测试时，测得zui jie jin火焰传播和火焰不传播时的实验效果如下，可以计算爆炸上限UEL=0.5×(41.043+40.225)%=40.63%。

实验录像2 (a) 火焰不传播X_TS =41.043%; (b) 火焰传播X_TS  =40.225%

3. 极限氧浓度实验结果

极限氧浓度可利用三元图进行分析，根据GB/T 38301-2019，当UEL≤ 0.8 × (100-X_air，L)，适用简易实验程序。

图4 电池产气极限氧浓度三元图

如图4所示，通过程序实验逐步确定爆炸区顶点空气体积分数（X_air，L），并测定0.8倍顶点惰性气体体积分数（0.8 X_in，L）的混合气体爆炸极限，以验证极限空气浓度LAC位于爆炸区顶点，此时：

LAC = X_air，L = 35.89％

随后可通过公式计算混合气体的极限氧浓度：

LOC = LAC × 0.209 = 7.50％

待测混合气体的三元图既可以确定极限氧浓度，也可以表征爆炸区范围，反映电池产气的爆炸区临界浓度分布规律。

四、结论

本文利用爆炸极限试验仪测定了大容量磷酸铁锂电池单体热失控产气的极限氧浓度。以该数据为基础，通过提高惰性气体浓度或降低氧浓度进行抑爆设计，可以有效预防爆炸风险，提高储能电站等应用场景的安全性。