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鋰電池熱失控產(chǎn)氣極限氧濃度研究

更新時間:2022-01-26  |  點擊率:2231

【預覽】本文利用爆炸極限試驗儀對磷酸鐵鋰電池單體(3.2V/265Ah)熱失控產(chǎn)氣的爆炸極限與極限氧濃度進行了研究,相關爆炸特性參數(shù)可為儲能電站等應用場景的防爆抑爆設計提供理論依據(jù)。



一、前言

鋰離子電池熱失控過程會產(chǎn)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(xiàn)不可控的嚴重后果。測定鋰電池熱失控產(chǎn)氣的爆炸極限與極限氧濃度,可為儲能電站等爆炸性環(huán)境的氧濃度控制提供理論依據(jù),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(shù)據(jù)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?shù)貢r間)蔚山南區(qū)SK能源公司發(fā)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(chǎn)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(chǎn)氣爆炸特性研究。實驗結果表明,常溫常壓下電池產(chǎn)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%。



二、實驗部分

1. 樣品準備

(1)氮氣:純度不低于99.8 %(體積分數(shù))。

(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(chǎn)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(huán)境壓力:101.29kPa

攪拌時間:5min

點火溫度:20℃

二次控溫:是


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



三、實驗結果

1. 燃燒判定標準

根據(jù)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 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zui jie jin火焰?zhèn)鞑ズ突鹧娌粋鞑r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?zhèn)鞑?span style="text-align: center; font-family: -apple-system, BlinkMacSystemFont, "Helvetica Neue", "PingFang SC", "Hiragino Sans GB", "Microsoft YaHei UI", "Microsoft YaHei", Arial, sans-serif; letter-spacing: 0.621714px; background-color: rgb(255, 255, 255); margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; text-indent: 34px; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">XTS =7.077%


(2)爆炸上限

進行爆炸上限測試時,測得zui jie jin火焰?zhèn)鞑ズ突鹧娌粋鞑r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?zhèn)鞑?span style="text-align: center; font-family: -apple-system, BlinkMacSystemFont, "Helvetica Neue", "PingFang SC", "Hiragino Sans GB", "Microsoft YaHei UI", "Microsoft YaHei", Arial, sans-serif; letter-spacing: 0.621714px; background-color: rgb(255, 255, 255); margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; text-indent: 34px; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">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(jù)GB/T 38301-2019,當UEL≤ 0.8 × (100-Xair,L),適用簡易實驗程序。


圖4 電池產(chǎn)氣極限氧濃度三元圖


如圖4所示,通過程序?qū)嶒炛鸩酱_定爆炸區(qū)頂點空氣體積分數(shù)(Xair,L),并測定0.8倍頂點惰性氣體體積分數(shù)(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(qū)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(qū)范圍,反映電池產(chǎn)氣的爆炸區(qū)臨界濃度分布規(guī)律。



四、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(chǎn)氣的極限氧濃度。以該數(shù)據(jù)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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