含添加劑細(xì)水霧抑制鋰電池?zé)崾芸氐膶?shí)驗(yàn)研究

含添加劑細(xì)水霧抑制鋰電池?zé)崾芸氐膶?shí)驗(yàn)研究

目前，廣泛應(yīng)用于電池行業(yè)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)電池行業(yè)），但安全問(wèn)題并未受到影響。這主要體現(xiàn)在電池行業(yè)的強(qiáng)反相正確反應(yīng)中，隨著溫度突然升高，熱量失控，并引發(fā)嚴(yán)重的燃燒和爆炸事故。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(FAA)調(diào)查結(jié)果哈龍滅火劑曾是世界主流的滅火產(chǎn)品,但對(duì)臭氧層有著嚴(yán)重的破壞作用,便逐漸淘汰,尋求哈龍滅火劑替代技術(shù)是火災(zāi)科學(xué)技術(shù)前沿研究領(lǐng)域之一。細(xì)水霧憑借著其高滅火效率和環(huán)保型在眾多新興滅火技術(shù)中脫穎而出。Bill等國(guó)內(nèi)外對(duì)含添加劑細(xì)水霧抑制鋰電池?zé)崾Э氐难芯枯^少,主要集中于鋰電池?zé)崾Э丶叭急卣骱秃砑觿┘?xì)水霧撲滅普通火災(zāi)有效性研究?，F(xiàn)提出用含添加劑的細(xì)水霧代替哈龍滅火劑,通過(guò)對(duì)比含不同添加劑的細(xì)水霧抑制鋰電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)的效果,深入了解添加劑種類(lèi)對(duì)鋰電池溫度變化、燃爆節(jié)數(shù)的影響,為進(jìn)一步研究細(xì)水霧抑制鋰電池?zé)崾Э氐墓ぷ髁颂峁┮粋€(gè)理論支撐和參考。1原料細(xì)水霧抑制電池?zé)崾Э刂圃?.1溫度測(cè)試方法為了安全有效的進(jìn)行含添加劑細(xì)水霧抑制鋰電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn),自主設(shè)計(jì)并建造了鋰電池火災(zāi)爆炸實(shí)驗(yàn)艙,配備手動(dòng)高壓霧化機(jī)組成了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。如圖1所示。圖1中,實(shí)驗(yàn)艙由有效長(zhǎng)為50cm、直徑為50cm的不銹鋼構(gòu)成,其容積為20L。實(shí)驗(yàn)選用最常見(jiàn)的18650型圓柱形鋰電池,直徑18mm,高度65mm,滿(mǎn)電量為2600mA·h。在測(cè)試電池表面安裝熱電偶用于監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電池的溫度變化,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)外接的八通道無(wú)紙記錄儀來(lái)導(dǎo)出。測(cè)溫選用WRNK—191鎧裝式熱電偶,有效測(cè)溫范圍為0~1100℃。利用鐵絲將自制的長(zhǎng)度為100mm,直徑為18mm的加熱棒與鋰電池束縛在一起,利用程序升溫儀對(duì)加熱棒進(jìn)行加熱,從而使鋰電池發(fā)生熱失控。細(xì)水霧由6MPa的手動(dòng)高壓霧化機(jī)提供壓力經(jīng)噴頭產(chǎn)生,位于鋰電池的正上方。細(xì)水霧的噴出時(shí)間可自主設(shè)定,以確保每次實(shí)驗(yàn)噴出的細(xì)水霧水量相同。1.2實(shí)驗(yàn)用添加劑及儀器細(xì)水霧的添加劑種類(lèi)極其繁多,但按照作用機(jī)理可分為兩類(lèi):一類(lèi)是能夠改變水的物理性質(zhì),如降低水的表面張力,增加水的汽化潛熱、附著力和黏度等。這類(lèi)物質(zhì)的滅火機(jī)理主要為物理作用。第二類(lèi)為能夠終止燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的物質(zhì)。這類(lèi)物質(zhì)能夠電離出陰陽(yáng)離子捕獲反應(yīng)中的自由基,其滅火機(jī)理主要為化學(xué)作用。綜合考慮實(shí)驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性和效果,現(xiàn)選用了上述兩大類(lèi)添加劑的代表性物質(zhì):十二烷基苯磺酸鈉、三乙醇胺和碳酸氫鈉。十二烷基苯磺酸鈉、三乙醇胺是表面活性劑的一種,是一種常見(jiàn)的細(xì)水霧物理添加劑;碳酸氫鈉易電離出Na選用四節(jié)鋰電池在實(shí)驗(yàn)艙中進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn),排列方式為直線型,如圖2所示。圖2中大圓表示電池或者加熱棒;小圓表示熱電偶,用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的溫度變化,圈中數(shù)字表示熱電偶對(duì)應(yīng)無(wú)紙記錄儀上的通道數(shù)。以恒定升溫速度對(duì)加熱棒進(jìn)行加熱,當(dāng)?shù)谝还?jié)鋰電池發(fā)生燃爆后,停止加熱,同時(shí)開(kāi)啟高壓霧化機(jī),在壓力的作用下,將已經(jīng)配置好的溶液經(jīng)過(guò)噴頭以霧化的狀態(tài)噴出,形成細(xì)水霧,所用噴水流量為300mL。待八通道無(wú)紙記錄儀上所有電池溫度恢復(fù)室溫(約25℃)時(shí)停止實(shí)驗(yàn),斷開(kāi)所有電源,開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)艙門(mén)。如表1所示,實(shí)驗(yàn)共有三種方案,每種方案有三種不同的百分含量,共計(jì)9組實(shí)驗(yàn),每組實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行三次,選取每種方案中效果最佳的一組進(jìn)行對(duì)比分析,除此之外,使用純水細(xì)水霧作為空白對(duì)照組,使添加劑實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具科學(xué)性。2添加劑細(xì)水霧抑制電池?zé)崾Э氐挠行苑治?.1添加劑的細(xì)水霧作用實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,如圖3所示隨著溫度的逐漸升高,正極附近在某時(shí)刻開(kāi)始噴出少量的氣體,繼續(xù)加熱一段時(shí)間后,鋰電池發(fā)生熱失控現(xiàn)象,火光四射,發(fā)出耀眼的白光并產(chǎn)生濃烈的黑煙,伴隨強(qiáng)烈的響聲,此刻開(kāi)始施加含添加劑的細(xì)水霧。不同的添加劑細(xì)水霧作用后效果為:噴純水細(xì)水霧后,火焰減弱;噴射三乙醇胺細(xì)水霧后,火焰熄滅,后續(xù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)爆炸現(xiàn)象發(fā)生;施加含十二烷基苯磺酸鈉的細(xì)水霧后,火光消失,隨后聽(tīng)到一聲爆炸響聲;施加含碳酸氫鈉細(xì)水霧后,火焰依然燃燒旺盛,隨后聽(tīng)到一聲爆炸響聲。2.2添加劑對(duì)熱失控的影響細(xì)水霧的施加節(jié)點(diǎn)是第一節(jié)電池發(fā)生熱失控之后,研究第一節(jié)電池在施加細(xì)水霧之后的溫度變化,可以看出加入添加劑后的細(xì)水霧對(duì)鋰電池的熱失控的抑制效果,如圖4所示。為了了解含添加劑細(xì)水霧對(duì)鋰電池的作用效果,引入鋰電池的熱失控臨界溫度。鋰電池發(fā)生熱失控的最低溫度為180℃結(jié)合圖4與表2可以看出,第一節(jié)電池燃爆后,開(kāi)啟細(xì)水霧,電池溫度立即下降,熱失控得到抑制,但不同添加劑對(duì)熱失控的抑制效果不同。其中降溫速率最大的是三乙醇胺,最小的是碳酸氫鈉;降低到臨界溫度所用的時(shí)間最短的是三乙醇胺,最長(zhǎng)的是碳酸氫鈉。表明在同等條件下,三乙醇胺細(xì)水霧可將發(fā)生熱失控的電池溫度迅速降低到臨界溫度以下,對(duì)于第二節(jié)電池來(lái)說(shuō),已經(jīng)失去了可能引發(fā)其熱失控的熱源,有效地抑制了鋰電池?zé)崾Э氐膫鬟f。2.3含三乙醇胺細(xì)水霧作用后在不同劑量碳酸氫鈉的響應(yīng)面在施加細(xì)水霧后,最直接的影響是四節(jié)電池的表面溫度,隨著細(xì)水霧的持續(xù)施加,電池表面溫度以及熱失控的傳遞效率也在發(fā)生變化,圖5給出了三種添加劑細(xì)水霧和純水細(xì)水霧施加后鋰電池溫度變化的趨勢(shì)。對(duì)比圖5(a)與圖5(b)可知,三乙醇胺細(xì)水霧施加后電池最高溫度下降,并且降溫速率也較純水細(xì)水霧大。圖5(b)中只出現(xiàn)一個(gè)溫度高峰,說(shuō)明含三乙醇胺細(xì)水霧施加后溫度顯著降低,并且鋰電池?zé)崾Э貍鬟f多米諾效應(yīng)得到抑制。三乙醇胺作為表面活性劑,極大地降低了細(xì)水霧的表面張力,迅速形成一層水膜覆蓋在鋰電池表面,隔絕氧氣與釋放出來(lái)的可燃?xì)怏w繼續(xù)發(fā)生反應(yīng),達(dá)到了降溫的效果。同時(shí)三乙醇胺還有乳化劑的作用,最終降低了鋰電池?zé)崾Э貍鬟f的效率。表3給出了各種添加劑細(xì)水霧作用后四節(jié)電池的最高溫度以及發(fā)生熱失控的節(jié)數(shù)。結(jié)合表3與圖5(c)可知,碳酸氫鈉加入后的細(xì)水霧作用于鋰電池后,溫度達(dá)到800℃,為后續(xù)電池發(fā)生熱失控的引發(fā)提供了一個(gè)溫度條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明碳酸氫鈉無(wú)法發(fā)揮出化學(xué)作用,原因是碳酸氫鈉無(wú)法直接接觸燃燒反應(yīng)物質(zhì),因此發(fā)生了兩節(jié)電池燃爆,對(duì)應(yīng)圖5(c)中出現(xiàn)的兩個(gè)溫度高峰。并且還降低了細(xì)水霧抑制鋰電池?zé)崾Э氐男Ч?進(jìn)一步分析認(rèn)為碳酸氫鈉的加入改變了細(xì)水霧的粒徑分布,使得到達(dá)鋰電池表面的霧滴數(shù)量降低。相比于碳酸氫鈉,十二烷基苯磺酸鈉加入到細(xì)水霧中僅僅只是降低了表面溫度,卻無(wú)法抑制鋰電池?zé)崾Э氐膫鬟f。3含添加劑細(xì)水霧滅鋰電池火災(zāi)的效果分析(1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn),含三乙醇胺細(xì)水霧施加后第一節(jié)電池表面溫度下降速率最大、降低到臨界溫度以下所用時(shí)間最少,相比而言,碳酸氫鈉細(xì)水霧施加后下降速率最小、所用時(shí)間最多。(2)三乙醇胺與十二烷基苯磺酸鈉均為物理添加劑,但作用效果不同。十二烷基苯磺酸鈉細(xì)水霧可以短時(shí)間內(nèi)降低溫度,但不可抑制熱失控傳遞;三乙