鋰電池燃燒熱釋放速率實驗研究

1、鋰電池燃燒熱釋放速率實驗研究陳明毅，周德闖，丁超，張雯霞，陳欽佩，汪箭*（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)國家重點實驗室，合肥 230026）510152025303540摘要：鋰電池在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，比如手機、筆記本電腦等。隨著鋰電池的發(fā)展，越來越多的鋰電池安全問題引起了人們的關(guān)注，這些問題主要是由于鋰電池?zé)崾Э匾l(fā)的火災(zāi)和爆炸。本文通過實驗測量鋰電池燃燒時的熱釋放速率來分析鋰電池的燃燒特性，為鋰電池的運輸、存儲管理提供科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞：鋰電池；安全；火災(zāi)；爆炸中圖分類號：x932experimental study on heat release rate of lithium batte

2、ryfirechen mingyi, zhou dechuang, ding chao, zhang wenxia, chen qinpei, wang jian(state key laboratory of fire science, university of science and technology of china,hefei 230026)abstract: lithium batteries are in widespread use in consumer electronics, such as cell phones,laptop computers, and othe

3、r portable electronic devices. however, with the extensive applicationsof lithium batteries, dozens of incidents have been recorded. these problems are mainlycontributed by thermal runaway caused fires and explosions. in order to provide a scientific basisfor the management of storage and transporta

4、tion of lithium batteries, the heat release rateexperiments are carried out, and the combustion characteristics of lithium batteries are discussed.keywords: lithium batteries; safety; fire; explosion0 引言鋰電池具有高能量，循環(huán)使用壽命長，效率高，污染小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品中。然而鋰電池在造福人類的同時也帶來了潛在的危害，時常發(fā)生鋰電池燃燒和爆炸的事故，給人們的生命和財產(chǎn)安全帶來很大的威

5、脅，鋰電池的安全問題亟需研究和解決1。在火災(zāi)的研究中，熱釋放速率是一個體現(xiàn)火現(xiàn)象的重要參數(shù)2。熱釋放速率指的是單位時間內(nèi)燃料所釋放的熱量，它象征著火釋放熱量的快慢和大小，也就是火源釋放能量的能力。本文通過實驗方法對鋰電池燃燒的熱釋放速率進行研究，定量分析鋰電池燃燒的能力與危害程度，為鋰電池的安全管理提供科學(xué)依據(jù)。1 理論基礎(chǔ)huggett 在 1980 提出了氧耗法測量熱釋放速率3。他提出：對于有機液體和氣體，常用的塑料和其他固體可燃物完全燃燒時，其釋放的熱量與消耗的氧氣量成正比。通過大量的試驗發(fā)現(xiàn)，每消耗單位質(zhì)量的氧氣釋放的凈熱量接近一個常數(shù) e=13.1mj/kg, 準確的小于5%，不完全

6、燃燒和燃料的不同對結(jié)果只有很小的影響。在完全燃燒時，只要測出煙氣中的 o2 含量就能計算出熱釋放速率，考慮到不完全燃燒，需要同時測量煙氣中的 co2，co 的含量?；诤难趿吭頊y得的熱釋放速率減去點火裝置熱輸出即為試樣燃燒過程中的熱釋放基金項目：博士學(xué)科點基金(20103402110009)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(wk2320000012)作者簡介：陳明毅，（1990-），男，江蘇南通人，碩士在讀，主要進行鋰電池燃燒、爆炸危險性研究。通信聯(lián)系人：汪箭，（1960-），男，教授，主要研究方向：燃燒過程的計算機模擬與仿真。e-mail:wangj-1-速率，其計算公式是：1ao2 e

7、1 c3h 8 qc(1)式中 為耗氧系數(shù)。02 2 o 2 co2x o0 (1 x co2 x o 2 )(2)45a2 2 2)(3)11e c3h 8=16.8103kjm3；v 29 8 標準狀況下（0.1mpa，25）排煙管道內(nèi)氣體的體積流量 m3s-1?；谶@個原理就可以測出鋰電池燃燒的熱釋放速率，我國的 iso9705,iso9706 表面材料50的實體房間火試驗就是用的這個原理4,5。2 實驗設(shè)計2.1實驗裝置實驗在一個小型熱釋放速率實驗臺進行，這個縮小版的熱釋放速率實驗臺是標準iso9705 實驗臺的 0.4 倍。整個實驗臺由燃燒室，錐形煙氣收集器，風(fēng)機及排煙管道，均流55

8、器，雙向測速探頭，煙密度計，o2、co2、co 氣體分析儀及其預(yù)處理系統(tǒng)組成。燃燒室的尺寸是 m，在燃燒室的四周有高度為 1.05m 的防火板和鋼板，里面一層是防火板，外面一層是鋼板。在這下面留出 0.15 的距離便于通風(fēng)，實驗臺如圖 1 所示。圖 1. 實驗臺裝置圖60燃燒室內(nèi)部是實驗裝置及測量設(shè)備：在最底部中心位置是測量失重用的天平，高度為0.15m，上面是丙烷燃燒器，總體高度是 0.4m，燃燒器上方 0.05m 處是電池，放在間距為0.01m 的鐵絲網(wǎng)上。4 個 k 型熱電偶安裝在中心位置，從電池頂端位置開始，向上間距 0.15m。在電池水平方向 0.4m 處是輻射熱流

9、計。在燃燒室外放置 dv，記錄實驗過程，同時安裝攝65像頭，以便在實驗間外遠程監(jiān)控。-2- (a 1) + 1 e(1 x ) x (1 x ) =2= x 0 (1 x 0氧所釋放的能量，試樣在 25時燃燒e =17.210kjm-3，2.2實驗方案實驗點火方式：標準丙烷火，燃燒器尺寸是 45m，功率為 10kw。實驗用電池為兩種型號，如表 1 所示。針對每個型號的電池開展 2 組實驗，即單節(jié)電池和兩節(jié)電池的燃燒實驗，電池的狀態(tài)均為 100%的初始電量。70表 1實驗用的電池方案電池型號cr123a18650實驗個數(shù)1,21,2電量100%100%3 結(jié)果分析在進行鋰電

10、池燃燒實驗的過程中觀察到以下現(xiàn)象（如圖 1 所示）：從丙烷火點燃開始，75鋰電池的塑料外皮首先發(fā)生燃燒，并迅速燒完；2 分鐘之后，由于鋰電池整體溫度很高，內(nèi)部發(fā)生熱失控反應(yīng)，產(chǎn)生氣體使得鋰電池正極發(fā)生泄漏，并形成小型的橘紅色炬狀火焰；與此同時電池內(nèi)部的電解液開始噴出并發(fā)生燃燒，很快形成強烈的火焰；之后正極處產(chǎn)生大量的白色火星并發(fā)出噼里啪啦的聲響，釋放出大量氣體并且劇烈燃燒。在幾秒內(nèi)這種現(xiàn)象速度加快，并發(fā)生爆炸性反應(yīng)，產(chǎn)生巨大聲響。8085a.準備實驗c. 橘紅色炬狀火焰e.劇烈燃燒、噴射大量火星b.外皮燃燒d.電解液噴出燃燒f.實驗結(jié)束圖 1.鋰電池燃燒實驗現(xiàn)象實驗中發(fā)現(xiàn) 18650 型號的鋰

11、電池燃燒過程中，噴射燃燒的時間段比較短，電池能迅速發(fā)生劇烈爆炸。而 cr123a 型號的鋰電池燃燒時，噴射燃燒現(xiàn)象持續(xù)很長一段時間，但爆炸威90力比較小。鋰電池燃燒爆炸結(jié)束后，電池外殼通體呈現(xiàn)紅透狀，cr123a 電池正極區(qū)域部分被融化，18650 鋰電池內(nèi)部材料由于爆炸反應(yīng)炸出殼外。?；鸷箅姵亻_始冷卻，直至常溫，-3-實驗結(jié)束后在整個實驗間地面上留下大量黑色顆粒。在對多個鋰電池進行燃燒實驗時發(fā)現(xiàn)，每節(jié)電池發(fā)生燃燒、噴射和爆炸的時間不一定相同，也就是說多節(jié)鋰電池在火暴露實驗下熱失控的過程不一定是同時的，有時同時發(fā)生燃燒，95有時在時間上有一定的先后。3.118650 鋰電池實驗結(jié)果圖 2 是一

12、節(jié) 18650 燃燒時的熱釋放速率（hrr），虛線指的是實驗中使用的標準丙烷火的功率為 10kw，也就是說在電池未被點燃時，火焰的熱釋放速率在 10kw 左右可能會有一個很小的波動，但是基本維持在 10kw。由圖可以看出當一節(jié) 18650 鋰電池發(fā)生燃燒時，100產(chǎn)生的熱釋放速率最高為 19.81kw。圖 2 一節(jié) 18650 鋰電池燃燒時的熱釋放速率圖 3 一節(jié) 18650 鋰電池燃燒時的溫度分布圖 3 是一節(jié) 18650 鋰電池燃燒時的溫度分布情況，t3 測量的是鋰電池頂端的溫度，也105就是能很好地體現(xiàn)出鋰電池燃燒時的溫度，由圖中可以看出電池燃燒時最高溫度是 683.23 c。t2，t1

13、，t0 分別表示的是電池上方 15cm，30cm，和 45cm 處的溫度。t0-t3 的最高溫度分別是 264.73 c，358.15 c，521.79 c，683.23 c。同時在時間 0-50s 階段是鋰電池還未發(fā)生燃燒，只有丙烷燃燒時的溫度，可以看出鋰電池燃燒使熱電偶溫度增加了 100-300c 之間。以上溫度和熱釋放速率的結(jié)果體現(xiàn)出鋰電池?zé)崾Э氐奈ｋU性。110圖 4 兩節(jié) 18650 鋰電池燃燒時的熱釋放速率圖 5 兩節(jié) 18650 鋰電池燃燒時的溫度分布在進行 2 節(jié) 18650 鋰電池的重復(fù)性燃燒實驗時，可以觀察到 2 節(jié)鋰電池燃燒的情況有一定的不確定性，有時兩個鋰電池同時燃燒，有

14、時一個鋰電池先燃燒。圖 4 選取的是一組 2115節(jié)電池同時燃燒的熱釋放速率圖，圖中最高的熱釋放速率值為 17.62kw，減去丙烷燃燒的熱釋放速率 10kw，得到兩節(jié)電池燃燒的熱釋放速率峰值為 7.62kw。這個數(shù)值比一節(jié)鋰電池燃燒時的熱釋放速率峰值略微小了一點，但是波峰的寬度變大，說明整體的熱釋放速率還-4-是增大的，而峰值的減小可能和鋰電池的燃燒不完全有關(guān)。圖 5 是兩節(jié) 18650 鋰電池燃燒的溫度分布，t0-t3 的最高溫度分別為 116.4 c，238.6 c，472.0 c 和 732.7 c。其中鋰120電池頂端的溫度 732.7 c 比一節(jié)鋰電池燃燒時的溫度 683.23 c

15、略高。從以上 2 組 18650 鋰電池燃燒的實驗數(shù)據(jù)中，可以發(fā)現(xiàn)單節(jié) 18650 鋰電池燃燒時的熱釋放速率峰值在 10kw 左右，隨著電池數(shù)量的增加，整體的熱釋放速率是增大的，表明鋰電池發(fā)生熱失控的現(xiàn)象更加明顯，也就是說越多的鋰電池燃燒，它的危害性越大6。同時可以發(fā)現(xiàn)，在鋰電池燃燒結(jié)束，熱釋放速率下降到 10kw 基準線時，還有一個下降的過程。查125閱相關(guān)文獻可以知道鋰電池在熱失控的情況下內(nèi)部反應(yīng)很有可能釋放出 o27速率是通過耗氧原理來測得的，氧氣的生成必然會使測得的熱釋放速率降低，對于電池內(nèi)部反應(yīng)釋放出的 o2 造成的測量誤差尚有待進一步研究。從溫度上來說，18650 鋰電池燃燒時的最

16、高溫度大概是 700 c 左右，這個溫度和燃燒的鋰電池的數(shù)量變化關(guān)系不大，也就是說18650 鋰電池燃燒時頂端火焰的溫度峰值就是在 700 c 左右。1303.2cr123a 鋰電池實驗結(jié)果圖 6 是一節(jié) 18650 鋰電池燃燒時釋放的熱釋放速率（hrr），由圖可以看出當一節(jié)cr123a 鋰電池發(fā)生燃燒時，產(chǎn)生的熱釋放速率最高為 18.73kw。由于本次測量熱釋放速率時，丙烷火的熱釋放速率是 10kw，所以一節(jié) cr123a 燃燒時的熱釋放速率最高在 8.73kw。圖 7 中四根熱電偶的最高溫度分別是 148.3 c，287.5 c，644.2 c，和 956.6 c。135圖 6 一節(jié) cr

17、123a 電池燃燒時的熱釋放速率圖 7 一節(jié) cr123a 電池燃燒時的溫度分布2 節(jié) cr123a 鋰電池燃燒時的熱釋放速率和溫度分布情況如圖 8 和圖 9 所示，兩節(jié)電池燃燒時最高的熱釋放速率為 27.62kw，減去丙烷火的 10kw 為 17.62kw，四根熱電偶的最140高溫度分別是 205.8 c，486.8 c，854.6 c，和 1142.6 c。圖 8 兩節(jié) cr123a 電池燃燒時的熱釋放速率-5-圖 9 兩節(jié) cr123a 電池燃燒時的溫度分布。由于熱釋放從 2 組 cr123a 鋰電池燃燒的實驗數(shù)據(jù)中，可以發(fā)現(xiàn) cr123a 電池燃燒時，電池組中145150電池數(shù)量越多，

18、熱釋放速率曲線上升越快，峰值也越大，這表明了電池發(fā)生熱失控的現(xiàn)象更加明顯，其燃燒的危害也更高。同時可以發(fā)現(xiàn)，cr123a 電池燃燒的最高溫度在 1000 c 左右，它燃燒的溫度比 18650 電池溫度大約高 300 c，這與觀察到的 cr123a 電池燃燒時噴射燃燒比 18650 電池更劇烈的實驗現(xiàn)象相符合。4 結(jié)論本文通過對兩種型號的鋰電池進行熱釋放速率測試實驗，分析了兩種不同工況下的燃燒情況，得出以下結(jié)論：1)cr123a 鋰電池的噴射燃燒現(xiàn)象比 18650 鋰電池劇烈，而 18650 電池的爆炸現(xiàn)象更劇烈，體現(xiàn)了兩種電池的不同的燃燒特性。 2) 鋰電池數(shù)量的增加會使電池燃燒總的熱釋放速率增加，溫度也隨鋰電池個數(shù)的增加155160165170而升高，但溫升的幅度并不十分顯著。在以后的實驗中將開展更多組電池的實驗來進一步分析其燃燒特性及規(guī)律。 參考文獻 (references)1 王青松，孫金華. 鋰離子電池安全性特點及熱模型研究. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2005，1(3):19-21.2 yi niu,yaping he,experimental study of burning rates of cardboard box res near sea level and at highaltitude.proceedings of the c