鋰離子電池(LIB)是當今公認的合適的儲能技術(shù)之一，由于其具有高能量密度和優(yōu)異的循環(huán)壽命，正越來越多地應(yīng)用于汽車、固定和航空領(lǐng)域。在尋求LIB性能優(yōu)化和成本降低的方法時，安全風險仍然是推進其大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙。由于LIB具有高能量密度和易燃材料，LIB頻繁發(fā)生爆炸事故。單個電池的故障可能導(dǎo)致涉及的組件(負極、正極、電解質(zhì)和隔板)的物理和化學反應(yīng)，從而導(dǎo)致產(chǎn)生過多的熱量和氣體。當在穩(wěn)定溫度區(qū)域之外工作時，高放熱反應(yīng)會導(dǎo)致電池快速自熱——這種情況被稱為熱失控(TR)，并伴有相關(guān)表現(xiàn)（如煙霧生成、火焰噴射和爆炸）。因此，隨著鋰離子電池的大規(guī)模應(yīng)用，其熱失控和著火成為重要問題。
近幾年來，全球能源危機和環(huán)境污染日益嚴重。鋰離子電池作為清潔無污染的儲能源，正逐步應(yīng)用于新能源汽車、太陽能轉(zhuǎn)換儲能設(shè)備、移動通訊設(shè)備等領(lǐng)域。目前越來越多城市出現(xiàn)了搭載鋰離子電池的新能源汽車的身影，然而一些安全隱患也隨之逐漸暴露。根據(jù)新能源汽車的火災(zāi)調(diào)查報告，絕大多數(shù)起火誘因為電池熱失控。鋰離子電池的不合理使用、意外破壞或自身缺陷均可能導(dǎo)致爆炸和火災(zāi)發(fā)生。
在眾多觸發(fā)電池熱失控的原因中，針刺是造成電池損壞的一種不可逆的破壞性行為。當電池受到尖銳物體刺入或受到較大沖擊力時，會使電池產(chǎn)生機械損壞，打破電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)并使內(nèi)部物質(zhì)直接暴露，同時很容易使電池內(nèi)部的正負極之間發(fā)生短路，進而產(chǎn)生大量熱量并使溫度迅速升高，造成熱失控危害
鋰離子電池在熱失控后從電池內(nèi)部都釋放出哪些氣體。當然，由于每種電池的組成、結(jié)果、化學狀態(tài)都存在差異，釋放出來的氣體各有差異。通常，這些氣體都是可燃的，當熱失控造成電池內(nèi)部溫度快速上升到一定程度，就有可能觸發(fā)燃燒。這里以一個40Ah NCM/C軟包電池為例說明，它的電解液LiPF6/EMC/DEC/EC。在充滿電的情況下，通過針刺出發(fā)熱失控，從而采集分析釋放的氣體成分。分析結(jié)果顯示，釋放出來的氣體成分主要包括：
- EMC：碳酸甲酯乙基酯
- DEC：碳酸二乙酯
- EC：碳酸乙烯酯
- Benzene：苯
- Toluene：甲苯
- Styrene：苯乙烯
- Biphenyl：聯(lián)苯
- Acrolein：丙烯醛
- CO：一氧化碳
- COS：硫化碳酰
- Hydrogen fluoride：這是氟化氫
上述這些物質(zhì)中，有些是氣體，有些是揮發(fā)的液體。前三種物質(zhì)是電解液本身揮發(fā)出來的，后面幾種物質(zhì)都是在熱失控過程中形成的新物質(zhì)。上面所有物質(zhì)都已具有一定毒性的，在一定溫度下都是可燃的。
傳統(tǒng)消費類電池，電池材料為LiCoO2/C，2.1Ah軟包電池，能量為7.7Wh。觸發(fā)熱失控后通過設(shè)備采集氣體進行分析，得到表1結(jié)果。這里的氣體成分包括：
- 一氧化碳、二氧化碳、氫氣
- 甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、丁烷、異戊烷、異戊烷、己烷、乙烯、丙烯、苯、甲苯、苯乙烷
其中，在100%SOC和150%SOC下，體積含量多的是一氧化碳、二氧化碳和氫氣。主要成分是一氧化碳、二氧化碳和氫氣，其余是烷烴、烯烴、苯等有機物，這些也可使可燃氣體。工采網(wǎng)提供磷酸鐵鋰電池熱失控檢測的可燃氣體傳感器應(yīng)用解決方案，包含可燃氣體傳感器TGS6812以及模塊CGM6812、氫氣傳感器TGS2615，還有針對動力電池熱失控時產(chǎn)生的CO檢測傳感器TGS5141等多類型傳感器產(chǎn)品及完整解決方案。歡迎官網(wǎng)在線咨詢技術(shù)工程師。
表1 氣體成分
同時測量釋放出來的氣體的含量(表2)，從50%SOC到100%SOC，熱失控后釋放出來的氣體含量增加了3倍多。在150%SOC，釋放的氣體含量達到了50%SOC下的7.5倍，一個小小的電池竟然可以釋放出這么多的氣體。
表2 氣體含量
動力電池產(chǎn)品關(guān)乎用戶的生命安全，其安全設(shè)計和要求在整個電池系統(tǒng)設(shè)計中處于高優(yōu)先級。
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