王蘭 程樹國

河南華瑞高新材料有限公司 河南新鄉(xiāng) 453000

鋰離子電池作為汽車領(lǐng)域、電能領(lǐng)域的重要能量形式，在某些層面上會給電動汽車、電網(wǎng)儲能提供源源不斷的電力支持。但是需要注意的是，一旦鋰離子電池出現(xiàn)燃燒或者爆炸等不良反應(yīng)，火勢會瞬時迅猛且難以撲滅。燃燒過程所產(chǎn)生的大量煙霧會對人體呼吸道等重要部位產(chǎn)生直接刺激，如果不加以及時整治，勢必會對人身安全造成極大危害。根據(jù)當(dāng)前研究情況來看，研究人員針對鋰離子電池安全性研究問題只局限于火災(zāi)誘發(fā)因素、安全檢測等方面。對于鋰離子電池火災(zāi)發(fā)生后的問題及作用機理，尚未進行針對性研究，亟待解決。

1 試驗準(zhǔn)備部分

1.1 研究對象

目前，國內(nèi)鋰離子電池多以磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池以及三元電池為主要表現(xiàn)形式，經(jīng)常用于動力電池、儲能電池當(dāng)中。針對于此，本文主要以上述3種鋰離子電池為研究對象。首先，將電池處于充滿狀態(tài)。其次，靜置12h后，利用充滿氬氣的手套箱整理上述鋰離子電池，如解剖，取出正極片、負極片、隔膜等攜帶電解液的組件[1]。

1.2 測試準(zhǔn)備

關(guān)于測試準(zhǔn)備工作，本文主要以錐形量熱儀為主要測試設(shè)備。測試環(huán)境溫度控制在23℃左右、濕度控制在45%左右。取出試驗樣品水平放置在保護裝置上，在這里建議最好優(yōu)先選用不銹鋼絲保護。究其原因，主要是因為防止樣品出現(xiàn)變形等問題。在樣品試驗次數(shù)方面，建議試驗人員應(yīng)該反復(fù)進行多次試驗后，再確定試驗結(jié)果。需要注意的是，關(guān)于試驗數(shù)據(jù)最好利用錐形量熱儀進行采集與分析。

2 電池組件熱參數(shù)分析

根據(jù)試驗分析結(jié)果來看，磷酸鐵鋰電池組件、錳酸鋰電池組件以及三元電池組件在引燃之后，在某個瞬間都可以達到一個峰值。達到峰值點之后，3種電池組件分別出現(xiàn)了不同程度的熱釋放速率下降現(xiàn)象。究其原因，主要是因為不同性質(zhì)的電池組件在燃燒性特質(zhì)方面存在較大差異[2]。造成這種差異現(xiàn)象的根本原因在于燃燒性特質(zhì)差異以及組件材料本身可燃程度差異、電池組件配方等。從客觀角度上來看，鋰離子電池主要以液態(tài)有機物作為溶劑，如碳酸二甲酯酯、碳酸乙烯酯等。上述液態(tài)有機物溶劑具備易燃性，在輻射條件下電池組件會釋放出大量氣態(tài)揮發(fā)物。

需要注意的是，當(dāng)氣相中可燃物濃度達到臨界數(shù)值之后，樣品會在臨界條件下迅速燃燒，此時，鋰離子電池各組件的熱釋放速率會急劇升高，待耗盡之后，熱釋放速率會發(fā)生大幅度下降反應(yīng)。此后，固相可燃物將會發(fā)生燃燒反應(yīng)。根據(jù)反復(fù)實踐證明，磷酸鐵鋰電池組件、錳酸鋰電池組件以及三元電池組件在引燃之后，石墨負極是最先被點燃的部分，其次是正極、隔膜等組件。因此可以說明，石墨負極是最容易被點燃的部分。另外，在相同輻射強度作用下，石墨負極所產(chǎn)生的熱釋放強度也是組件成分中最高的。足以見得，鋰離子電池中的石墨負極是整個組件體系最容易著火的部分，同時也是熱釋放強度最高的部分。

3 鋰離子電池組件燃燒性及危險性評價

3.1 燃燒性能差異

磷酸鐵鋰電池組件、錳酸鋰電池組件以及三元電池組件都是以石墨材料作為負極，在電解液的選擇方面也多以碳酸酯類為主。區(qū)別之處在于正極材料存在不同，且電解液添加劑也有所不同。根據(jù)上述試驗過程可知，3種鋰離子電池在錐形量熱儀測試結(jié)果方面存在一定差異。

究其原因，主要是因為電池材料燃燒與受熱分解過程存在差異性，或者是電解液成分，如溶劑組分、添加劑種類等存在不同。最重要的是，3種鋰離子電池在隔膜、負極成分方面存在一定差異，導(dǎo)致鋰離子電池組件燃燒性能存在不同程度的差異情況[3]。

3.2 AHP法電池火災(zāi)危險評價機制

一般來說，火災(zāi)危險主要集中以熱危險與煙氣危險為主。其中，熱危險集中以放熱危險、火勢增長危險為主；煙氣危險集中以發(fā)煙危險、煙氣毒害風(fēng)險為主。結(jié)合AHP法火災(zāi)風(fēng)險評價機制可知，電池組件燃燒參數(shù)會根據(jù)性質(zhì)不同或者其他特征不同，劃分為易燃性、釋熱性等種類。在具體試驗過程中，我們需要根據(jù)上述表征特點，針對參數(shù)問題進行合理劃分，構(gòu)建鋰離子電池火災(zāi)危險性評價機制或者相關(guān)體系。

電池組件的火災(zāi)危險性指數(shù)在某些層面上綜合電池組件特性，如燃燒熱危險、煙氣危險等因素，通過綜合比較得出不同組件火災(zāi)危險性程度，并按照定量分析方式確定火災(zāi)危險性程度。根據(jù)AHP法的分析可知，磷酸鐵鋰電池組件、錳酸鋰電池組件以及三元電池組件在引燃之后，石墨負極是最先被點燃的部分，其次是正極、隔膜等組件。需要注意的是，磷酸鐵鋰正極火災(zāi)危險性程度明顯大于石墨負極，究其原因，主要是因為磷酸鐵鋰正極生煙性強度明顯高于石墨負極。

4 結(jié)語

從易燃性與釋熱性角度上來看，鋰離子電池中的石墨負極是整個組件體系最容易著火的部分，同時也是熱釋放強度最高的部分，其次是隔膜、正極。從生煙性特質(zhì)上來看，隔膜的不完全燃燒往往是造成鋰離子電池燃燒過程產(chǎn)生大量煙氣的主要原因，再加上受到電極材料燃燒與熱分解的作用機理，電池組件火災(zāi)危險性程度會更高。結(jié)合AHP法進行計算與分析可知，三類鋰離子電池體系中的隔膜組件是造成火災(zāi)風(fēng)險問題的主要因素。究其原因，主要是因為隔膜熱釋放速率較高，且一氧化碳、二氧化碳等含量濃度較高。針對于此，建議研究人員應(yīng)該將防范重點放在上述組件位置當(dāng)中，盡可能地規(guī)避火災(zāi)風(fēng)險問題。