劉 靜, 劉彥輝, 黃鑫炎*, 晏莉琴, 黃 軍, 陳海濤

(1. 上海空間電源研究所，上海，200245；2. 空間電源技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海，200245；3. 香港理工大學(xué)屋宇設(shè)備工程系，香港)

0 引言

自從1997年我國(guó)“神七伴星”第一次使用鋰離子電池組作為儲(chǔ)能電源，高能量密度的鋰離子電池已逐步取代傳統(tǒng)的鎘鎳電池、氫鎳電池并廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星等空間飛行器上[1]。2017年“天舟一號(hào)”貨運(yùn)飛船成功發(fā)射，其中低軌高壓鋰電的首次使用，為未來(lái)空間站和登月計(jì)劃應(yīng)用鋰離子電池打下了基礎(chǔ)。相較于傳統(tǒng)的氫鎳電池和鎘鎳電池，鋰離子電池的安全性備受關(guān)注。研究中通常采用各種極端測(cè)試的條件來(lái)激發(fā)電池的熱失控，使其起火燃燒，從而評(píng)估其安全性[2]。相比于地表的常重力環(huán)境，由于火箭發(fā)射中的超重力環(huán)境、空間站的微重力環(huán)境和月球表面的低重力環(huán)境(1/6地球重力)會(huì)改變航天器內(nèi)的空氣對(duì)流，從而對(duì)火災(zāi)的演化產(chǎn)生影響。深入研究太空變重力環(huán)境對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э氐挠绊懀欣谔骄亢教炱鲀?nèi)火災(zāi)的演變過(guò)程和危害，優(yōu)化航天器尤其是空間站電池火災(zāi)的預(yù)防、預(yù)警及滅火設(shè)計(jì)。長(zhǎng)期以來(lái)，美國(guó)、歐盟、俄羅斯和日本宇航局主導(dǎo)著微重力下的燃燒科學(xué)與火災(zāi)安全的研究，完成了大量的地面與太空微重力實(shí)驗(yàn)[3,4]，對(duì)載人航天及空間站的長(zhǎng)期安全運(yùn)行積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。目前，除了美國(guó)宇航局(NASA)計(jì)劃在未來(lái)的Saffire實(shí)驗(yàn)中加入電池火災(zāi)的實(shí)驗(yàn)，其他國(guó)家尚未開(kāi)展鋰離子電池在微重力和變重力的太空環(huán)境下熱失控和火災(zāi)的研究[5]。

本文針對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э貦C(jī)理，從正負(fù)極材料、隔膜及電解質(zhì)在分解過(guò)程中的電化學(xué)和熱化學(xué)反應(yīng)的情況及變化規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)有微重力環(huán)境下火焰和燃燒特征以及火災(zāi)擴(kuò)展機(jī)理的研究，詳細(xì)探討了太空中微重力環(huán)境下鋰離子電池特殊的熱失控和火災(zāi)行為，以及未來(lái)研究方案的設(shè)想和展望。

1 鋰離子電池?zé)崾Э貦C(jī)理

由于鋰離子電池具有較高的能量密度以及特殊的化學(xué)組成，電池材料的熱穩(wěn)定性相對(duì)較差[6]。當(dāng)鋰離子電池處于極端環(huán)境，例如受到外部熱[7-11]、電[12-16]、機(jī)械沖擊[17-19]時(shí)，其內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)材料變形、分解、腐蝕以及鋰枝晶等問(wèn)題，通過(guò)電化學(xué)和熱化學(xué)反應(yīng)在局部產(chǎn)生大量的熱，從而引發(fā)電解液和電極材料的鏈?zhǔn)椒艧岱磻?yīng)[20]。當(dāng)電池內(nèi)部的產(chǎn)熱速率大于散熱速率，電池溫度將急劇上升，最終發(fā)生熱失控[21]，并釋放出大量可燃和有毒煙氣。這些氣體可能進(jìn)一步與空氣混合，發(fā)生自燃或被引燃，從而出現(xiàn)劇烈燃燒，甚至引發(fā)災(zāi)難性的火災(zāi)和爆炸[21]。如圖1所示，由機(jī)械、電、熱濫用等極端工作條件造成的內(nèi)部短路[20]和化學(xué)交叉反應(yīng)[22]是鋰離子電池?zé)崾Э氐闹匾T因。

圖1 內(nèi)部短路和化學(xué)交叉反應(yīng)是鋰離子電池?zé)崾Э氐闹饕T因[20]

(1)

(2)

其中，h為散熱系數(shù)，S為散熱面積，Ta為環(huán)境溫度。由于電池與環(huán)境的熱傳遞方式為熱對(duì)流和熱輻射，因此散熱系數(shù)h亦可表示為：

(3)

鋰離子電池內(nèi)部產(chǎn)熱的主要原因是電池材料的一系列分解和氧化放熱反應(yīng)，即異常工作條件使電池發(fā)熱升溫，誘發(fā)固體電解質(zhì)界面(SEI)膜分解、電極材料和電解液的熱分解反應(yīng)等。這些副反應(yīng)釋放出大量熱進(jìn)一步提升電池溫度并加速內(nèi)部反應(yīng)的進(jìn)行，從而形成循環(huán)，直至熱失控發(fā)生。不同材料體系的鋰離子電池的熱失控溫度范圍略有不同，以LiCoO2/MCMB電池為例[24]，其主要組成是LiCoO2正極材料，LiPF6電解質(zhì)，石墨負(fù)極材料，PE隔膜。電池溫度在70 ℃～90 ℃之間時(shí)，SEI膜開(kāi)始分解，產(chǎn)生二氧化碳等氣體[25]。失去了SEI膜的保護(hù)，負(fù)極中高活性嵌鋰將直接暴露在電解液中，與有機(jī)溶劑發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)；同時(shí)生成乙烷、乙烯、丙烯等易燃?xì)怏w[2,26-29]，使電池溫度進(jìn)一步升高。當(dāng)溫度上升至130 ℃左右時(shí)，PE隔膜開(kāi)始熔化，觸發(fā)電池內(nèi)短路，大量的焦耳熱使電池內(nèi)部溫度快速升高。當(dāng)電池溫度升高至200 ℃左右時(shí)，正極材料開(kāi)始熱分解，并釋放出大量氧氣；這些氧氣會(huì)參與電解液的熱分解，釋放大量的熱，并產(chǎn)生大量的氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷等烷烴和烯烴類及其氟化有機(jī)物氣體，使電池的電壓急劇下降，電池的溫度急劇上升，從而發(fā)生熱失控。

圖2 燃料產(chǎn)熱率和散熱率隨溫度的變化關(guān)系

鋰離子電池?zé)崾Э氐奈ｋU(xiǎn)性體現(xiàn)在電池內(nèi)部放熱和外部燃燒兩個(gè)方面，內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)釋放大量的熱和可燃?xì)怏w，熱失控噴出后也可以在空氣中劇烈燃燒，引發(fā)火災(zāi)。許多學(xué)者使用加速量熱儀(ARC)[30-32]、差式掃描量熱儀(DSC)[32，33]、C80量熱儀[34-37]、VSP2絕熱量熱儀[38,39]，銅芯電池量熱儀(CSBC)[40,41]等標(biāo)準(zhǔn)儀器研究了鋰離子電池?zé)崾Э剡^(guò)程中內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱。Ping等[35]使用C80微量量熱儀測(cè)量了鈷酸鋰電池?zé)崾Э氐脑紵崃髑€，并通過(guò)去卷積法確定了電池內(nèi)部材料的熱穩(wěn)定性以及在熱失控過(guò)程中的產(chǎn)熱量。如圖3所示，原始熱流曲線被分為了七個(gè)峰，分別代表熱失控過(guò)程中的七個(gè)反應(yīng)過(guò)程。其中，正極材料歧化及分解反應(yīng)釋放的熱量最多，其次是內(nèi)短路產(chǎn)生的焦耳熱，因此正極材料是影響鋰電池?zé)崾Э匚ｋU(xiǎn)性的重要因素。不同正極材料的熱穩(wěn)定性不同，目前常見(jiàn)正極材料的熱穩(wěn)定性排序?yàn)椋篖FP(磷酸鐵鋰)> LMO(錳酸鋰)> NCM(鎳鈷錳酸鋰)> NCA(鎳鈷錳酸鋁)> LCO(鈷酸鋰)[42]。此外，正極熱分解釋放的氧氣也會(huì)加速電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量氣體，增大電池內(nèi)壓。Jhu等[37]發(fā)現(xiàn)滿電量的2.6 Ah圓柱形鈷酸鋰電池?zé)崾Э剡^(guò)程中的內(nèi)部壓力可以達(dá)到1.08×107Pa，最大的壓力增加速率可達(dá)1.036×109Pa/min。壓力的快速增加使反應(yīng)所產(chǎn)生的大量易燃、易爆、有毒、刺激性氣體混雜著電解液蒸汽從安全閥噴出，高速氣體噴射中的摩擦產(chǎn)熱和伴隨的高溫金屬顆粒足以引燃與空氣混合的可燃性氣體，產(chǎn)生射流火焰。

圖3 鈷酸鋰電池?zé)崾Э剡^(guò)程中原始熱流曲線及去卷積熱流曲線[35]

鋰電池?zé)崾Э蒯尫诺臍怏w在許多文獻(xiàn)中得到了研究。Larsson等[43]對(duì)6.8 Ah 的LCO方形電池進(jìn)行熱烤箱實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)熱失控前釋放氣體的主要成分來(lái)源于電解液。Koch等[44]分別測(cè)量了51個(gè)鋰電池?zé)崾Э剡^(guò)程中的氣體產(chǎn)物，確定氣體的主要成分為二氧化碳、一氧化碳、氫氣、乙烯、甲烷、乙烷、丙烯等。Golubkov等[45]通過(guò)氣相色譜法確定了不同正極材料的滿電量18650型電池?zé)崾Э剡^(guò)程中不同氣體組分的釋放量，結(jié)果表明LCO/NMC電池釋放的氣體最多(0.27 mol)，其中二氧化碳占24.9%，一氧化碳占27.6%，氫氣占30%，顯示出較高的危險(xiǎn)性。而LFP電池電池釋放的氣體最少(0.05 mol)，其中二氧化碳占53%，一氧化碳占4.8%，氫氣占30.9%，氣體毒性相對(duì)較小。

對(duì)于鋰電池外部燃燒的危險(xiǎn)性，F(xiàn)u等[46]通過(guò)錐形量熱儀對(duì)不同荷電狀態(tài)下18650型鈷酸鋰電池的燃燒特性進(jìn)行研究：當(dāng)錐形量熱儀的熱輻射通量為50 kW/m2時(shí)，滿電量電池表面的溫度可達(dá)797 ℃，熱釋放速率可達(dá)6.8 kW；而50%SOC電池燃燒的熱釋放速率只有1.5 kW，呈現(xiàn)出較低的熱失控危害。Liu等[41]通過(guò)自行設(shè)計(jì)的CSBC量熱儀測(cè)量得出單個(gè)滿電量的2.6 Ah圓柱形鈷酸鋰電池的內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱為37.3 kJ，噴射物在電池外部的燃燒產(chǎn)熱可達(dá)63 kJ。因此，鋰離子電池?zé)崾Э睾髧娚湮锶紵幕馂?zāi)危險(xiǎn)性大于電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量。Zhao等[47]利用擴(kuò)展加速量熱儀(EV-ARC)發(fā)現(xiàn)滿電量的NMC鋰電池?zé)崾Э貢r(shí)可釋放61.72 kJ的能量，相當(dāng)于5.57 g TNT的爆炸當(dāng)量。與傳統(tǒng)可燃物的燃燒相比，鋰離子電池?zé)崾Э匾l(fā)的火災(zāi)會(huì)伴隨著多次火焰噴射(如圖4)[48]，熱失控過(guò)程中產(chǎn)生的氧氣和多次復(fù)燃增大了用傳統(tǒng)方法滅火的難度。

圖4 磷酸鐵鋰電池(50 Ah)熱失控時(shí)多次火焰噴射過(guò)程[48]

當(dāng)鋰離子電池單體發(fā)生熱失控后，其釋放的熱量會(huì)向周邊傳播，導(dǎo)致周?chē)姵匕l(fā)生熱失控，即熱失控傳播。熱失控傳播會(huì)極大加劇火災(zāi)危害，但由于實(shí)驗(yàn)條件和技術(shù)難度的限制，目前關(guān)于熱失控傳播實(shí)驗(yàn)研究的相關(guān)文獻(xiàn)較少[49]。在電池模組中，電池的排布方式和連接方式對(duì)熱失控傳播有顯著影響。Feng等[50]研究了熱失控在由6個(gè)軟包電池組成模塊中的傳播特性，發(fā)現(xiàn)電池單體熱失控釋放總能量的12%足以誘發(fā)周邊電池的熱失控行為，且電池表面的熱傳導(dǎo)對(duì)熱失控傳播影響較大。Lopez等[51]發(fā)現(xiàn)增加圓柱形電池的間距或在電池間放置隔熱材料可以降低電熱失控傳播的風(fēng)險(xiǎn)。Niu等[52]研究了熱失控在6個(gè)圓柱形電池線形排列模組中的傳播特性，相比于開(kāi)路電池組，由于外短路的存在，熱失控在并聯(lián)電池組中的傳播速率更快，有更大的爆炸風(fēng)險(xiǎn)。Gao等[53]發(fā)現(xiàn)可以利用電壓波動(dòng)來(lái)確定熱失控傳播時(shí)間，并且并聯(lián)電池組的安全性較差。除外部濫用條件導(dǎo)致鋰離子電池?zé)崾Э赝猓囯x子電池大規(guī)模儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中較差的通風(fēng)散熱條件亦可誘發(fā)開(kāi)路狀態(tài)下鋰離子電池的熱自燃[54-56]。目前關(guān)于這方面的研究較少，鋰離子電池在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的熱自燃機(jī)理及其燃燒特性有待進(jìn)一步挖掘。

常重力環(huán)境下，基于上述熱失控原理，許多學(xué)者綜合考慮電池材料的化學(xué)反應(yīng)、傳熱傳質(zhì)以及結(jié)構(gòu)形變等問(wèn)題，對(duì)電池在機(jī)械濫用[57-60]、電濫用[61-64]和熱濫用[65-67]等極端工況下的熱失控行為開(kāi)展模擬仿真。對(duì)于鋰離子電池單體的熱失控預(yù)測(cè)，Hatchard[68]等首先利用ARC和DSC實(shí)驗(yàn)中獲得的動(dòng)力學(xué)參數(shù)建立了一維的電池?zé)崾Э啬Ｐ?，可以預(yù)測(cè)單個(gè)18650型電池和電極材料對(duì)烤箱測(cè)試的響應(yīng)。Spotnitz等[69]基于熱失控過(guò)程中的放熱反應(yīng)及對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)建立了誘發(fā)鋰電池?zé)崾Э氐臑E用模型(烤箱測(cè)試、短路、過(guò)充、針刺和擠壓)，并指出氟化黏結(jié)劑對(duì)熱失控行為的影響較小。Tanaka和Bessler[70]建立了一維的電化學(xué)模型研究熱失控過(guò)程中SEI在負(fù)極的放熱特性，SEI分解和生成反應(yīng)的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相一致。Kim[67]等將Hatchard建立的一維模型[68]擴(kuò)展為三維的電池?zé)崾Э啬Ｐ?，用于預(yù)測(cè)烤箱測(cè)試中電池溫度的空間分布，并提出電池的散熱條件對(duì)熱失控有顯著影響。Lopez等[71]通過(guò)修正電解質(zhì)分解反應(yīng)的參數(shù)進(jìn)一步改進(jìn)模型，新的模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合的更好，同時(shí)也表明電解質(zhì)分解對(duì)鋰電池?zé)崾Э匾灿兄匾挠绊憽?/p>

對(duì)于多電池模組，現(xiàn)有的模擬研究著重探討熱失控在電池組中傳播的風(fēng)險(xiǎn)[72]。Spotnitz等[73]利用ARC的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了熱失控在8個(gè)18650型電池組中的傳播模型，當(dāng)其中一個(gè)電池發(fā)生熱失控后，熱失控的傳播與電池之間的換熱系數(shù)有關(guān)，散熱條件差的電池更容易被熱失控波及。由于相鄰圓柱形電池間的接觸面積較小，通過(guò)電氣連接件傳導(dǎo)的熱量在熱失控傳播過(guò)程中占據(jù)主導(dǎo)地位[74]。Feng等[75]利用COMSOL軟件模擬了熱失控在6個(gè)電池單體串聯(lián)組成的電池模組中的擴(kuò)展行為，發(fā)現(xiàn)在相鄰電池間增加隔熱層可延緩熱失控傳播。Larsson等[76]建立了一個(gè)包含10個(gè)電池單體的電池組熱失控模型，評(píng)估了電池單體間的隔熱措施對(duì)熱失控傳播的影響。Smith等[77]開(kāi)發(fā)了一個(gè)電熱耦合模型研究16個(gè)18650型電池并聯(lián)電池模組中熱失控的傳播特性，分析熱生成以及熱量的傳播路徑。基于這一模型，NASA綜合考慮電池模組內(nèi)部空氣的熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射，得出可以通過(guò)減小電池之間的直接熱接觸(在電池之間增加相變材料或使用鋁制散熱器)來(lái)減小熱失控的傳播風(fēng)險(xiǎn)[78]。

然而，鋰電池?zé)崾Э氐姆抡嫜芯亢苌倏紤]到電池的老化效應(yīng)。此外，現(xiàn)有的仿真研究文獻(xiàn)大多關(guān)注電池單體從極端工況到熱失控發(fā)生的過(guò)程以及熱失控在電池組中的傳播行為，對(duì)電池?zé)崾Э睾髧娚浠鹧娴娜紵突馂?zāi)行為鮮有研究[2]，少量關(guān)于電解液燃燒和噴射氣體的研究[79,80]僅停留在理想情況下的化學(xué)分析，尚未開(kāi)展系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，并深入建模分析。

2 微重力環(huán)境對(duì)燃燒和火災(zāi)的影響

作為第三代航天電池，應(yīng)用于航天器中的鋰離子電池具有較高的能量密度和較長(zhǎng)的循環(huán)壽命[81]。如Canon公司生產(chǎn)的BP-930s太空電池是由四個(gè)18650型鋰離子電池組成，其比能量為132 Wh/kg；ABSL公司提供的容量為4.8 Ah～12 Ah的小型航天器電池中，每節(jié)18650型電池的功率為23 W～54 W[82]。顯然，這些電池一旦發(fā)生熱失控，將釋放巨大能量。

載人航天器和空間站內(nèi)存在適合宇航員生活的含氧大氣和保障空氣質(zhì)量的通風(fēng)系統(tǒng)，因此具備發(fā)生火災(zāi)的條件。自人類在上世紀(jì)60年代開(kāi)啟載人航天事業(yè)，至少發(fā)生了2起火災(zāi)導(dǎo)致的宇航員死亡；以及13次火災(zāi)和接近點(diǎn)火的事故，直接威脅宇航員安全[83]。然而，在微重力環(huán)境下，自然對(duì)流及其冷卻作用基本消失，燃料極易發(fā)生自燃，同時(shí)受到外部熱源加熱時(shí)，極易發(fā)生引燃[84,85]。鋰離子電池內(nèi)部材料的電化學(xué)和熱化學(xué)自放熱反應(yīng)，使其具有很高的自燃風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)太空艙內(nèi)的電池內(nèi)部發(fā)生放熱反應(yīng)或者內(nèi)短路時(shí)，由于沒(méi)有自然對(duì)流的冷卻，極易發(fā)生熱失控和燃爆。一旦點(diǎn)火，火焰將在太空艙內(nèi)部通風(fēng)氣流的作用下維持，加熱電池組，導(dǎo)致電池連續(xù)的熱失控，并形成大規(guī)?；馂?zāi)。最新研究表明，微重力下的火蔓延速度可能超過(guò)其常重力下的速度，并且火焰可以維持在更低的空氣氧濃度[86]。因此，太空環(huán)境中鋰離子電池模組內(nèi)部的隔熱材料或冷卻系統(tǒng)需要更高的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以降低熱失控轉(zhuǎn)播的風(fēng)險(xiǎn)。

電解液中的有機(jī)溶劑為常見(jiàn)的混合物(如碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯等)，其燃燒特性與傳統(tǒng)固體燃料相似，電池破裂后，可燃?xì)怏w在高壓下向外噴射，在微重力下會(huì)形成橢球型的射流火焰[87]。鋰電子電池發(fā)生熱失控的過(guò)程中，鋰金屬可能會(huì)從負(fù)極表面析出，活潑的金屬鋰會(huì)與氧氣和水甚至二氧化碳發(fā)生劇烈的燃燒反應(yīng)[23]，隨著氣體噴射產(chǎn)生大量的高溫飛火顆粒。由于沒(méi)有自然對(duì)流冷卻和重力拖曳，這些噴射顆?？梢员３指邷爻掷m(xù)飛行，并快速引燃可燃?xì)怏w和周邊的可燃物，形成嚴(yán)重的二次火災(zāi)和燃爆。由于鋰離子電池?zé)崾Э氐倪^(guò)程可釋放出氧氣，電池的火焰可能比普通固體燃料的火焰更加強(qiáng)烈，火蔓延速度更快，需要更多的滅火劑甚至全新的滅火方式來(lái)控制太空火災(zāi)。

宇航員在太空行走時(shí)，將攜帶大量由鋰離子電池驅(qū)動(dòng)的電子設(shè)備[88]。為了減少宇航員太空行走的準(zhǔn)備時(shí)間，降低宇航服在真空環(huán)境中的應(yīng)力，宇航服內(nèi)部通常使用低壓高氧的大氣以保持21 kPa的氧氣分壓，如采用0.7個(gè)大氣壓和30%的氧氣濃度甚至純氧的大氣[3,89]。在高氧環(huán)境中，包括鋰離子電池在內(nèi)的所有可燃物都極易發(fā)生點(diǎn)火，而且燃燒極為劇烈，火蔓延的速率也將急劇增加，嚴(yán)重威脅宇航員的生命安全[90]。

重力水平的降低會(huì)減少浮力卷吸引起的氧氣供應(yīng)，讓火焰峰值溫度降低，導(dǎo)致燃燒不完全，釋放出大量的有毒氣體(如CO，PAH等)和炭黑顆粒(PM)。研究表明微重力下燃燒產(chǎn)生煙黑濃度的最大值約為常重力下相對(duì)火焰的兩倍[91,92]，考慮到鋰離子電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的氣體和火焰更為復(fù)雜，因此未來(lái)空間站的煙霧報(bào)警裝置需要全新的設(shè)計(jì)以應(yīng)對(duì)電池火災(zāi)。

3 鋰離子電池在微重力熱失控和火災(zāi)試驗(yàn)的設(shè)想

低壓實(shí)驗(yàn)是在地面模擬微重力燃燒的主要研究方法，其主要實(shí)驗(yàn)原理是通過(guò)降低氣壓和密度減少浮力卷吸氣流的動(dòng)量[89,93]。目前，各國(guó)的研究機(jī)構(gòu)已對(duì)包括有機(jī)玻璃(PMMA)[86]、阻燃纖維布[89]、聚氨酯(PU)泡沫[94]、導(dǎo)線[95]在內(nèi)的常見(jiàn)材料進(jìn)行了大量的低壓實(shí)驗(yàn)，部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與在國(guó)際空間站中進(jìn)行的微重力實(shí)驗(yàn)相吻合。同時(shí)，考慮到地面低壓實(shí)驗(yàn)的成本較低，有必要系統(tǒng)地開(kāi)展鋰離子電池?zé)崾Э嘏c火災(zāi)特性的低壓實(shí)驗(yàn)，測(cè)量熱失控的臨界條件、燃燒的放熱速率、火蔓延速度、有毒氣體的排放等參數(shù)[96]?，F(xiàn)有的鋰電池低壓實(shí)驗(yàn)大多是在低壓常氧濃度的環(huán)境中進(jìn)行，以研究鋰電池在高原地區(qū)和航空運(yùn)輸中的熱安全性。Chen等[97]分別在海平面城市合肥(100.8 kPa / 24 m)和高原城市拉薩(64.3 kPa / 3 650 m)使用相同的量熱平臺(tái)研究鋰電池的熱失控行為，對(duì)比發(fā)現(xiàn)鋰電池在高海拔地區(qū)更容易發(fā)生熱失控，但熱釋放速率、質(zhì)量損失和燃燒熱量主要隨著氧氣濃度的減少而降低。Fu等[98]使用自主搭建的低壓艙平臺(tái)研究了環(huán)境壓力對(duì)鋰電池燃燒行為的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電池?zé)崾Э氐臅r(shí)間隨環(huán)境壓力的降低顯著增加，而單個(gè)電池的質(zhì)量損失率和表面溫度隨壓力的降低而減小，電池失控后的峰值火焰溫度也較低。孫強(qiáng)等[99]發(fā)現(xiàn)低壓下鋰電池?zé)崾Э厮a(chǎn)生的高溫區(qū)域減少，高溫危險(xiǎn)性降低。在上述實(shí)驗(yàn)中，低壓環(huán)境電池?zé)崾Э厮尫诺目扇夹詺怏w未能完全燃燒，從而顯示出較低的火災(zāi)危險(xiǎn)性。然而，在太空的微重力環(huán)境中，雖然氣壓降低，但氧氣的濃度會(huì)更高以維持氧氣分壓[3]，因此，采用低壓環(huán)境模擬鋰電池在太空微重力下熱失控及火災(zāi)的實(shí)驗(yàn)方法需進(jìn)一步改進(jìn)。特別是減壓高氧濃度的實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)象將對(duì)未來(lái)太空艙環(huán)境下電池?zé)崾Э氐男袨樘峁┛茖W(xué)的指導(dǎo)，并啟發(fā)應(yīng)用于空間探索的電池?zé)岚踩珔?shù)的選取和設(shè)計(jì)。

此外，落塔實(shí)驗(yàn)、拋物飛行實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星和空間站也是研究微重力燃燒現(xiàn)象與火災(zāi)安全的重要方法(如圖5)[100]。落塔實(shí)驗(yàn)可提供不超過(guò)10秒的微重力環(huán)境，適用于研究鋰離子電池在高熱流下的點(diǎn)火極限，以及臨界熄火條件的測(cè)量[101]。2000年建成的中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所的落塔可產(chǎn)生3.6秒的微重力時(shí)間，為研究微重力下的鋰離子電池燃燒特性提供了硬件基礎(chǔ)。拋物飛行實(shí)驗(yàn)可以提供不超過(guò)30秒的微重力環(huán)境，適用于探索由機(jī)械沖擊引起的鋰離子電池?zé)崾Э貤l件，低熱流下的點(diǎn)火極限，以及火蔓延的速率的測(cè)定[5]。美國(guó)、歐盟、俄羅斯和日本宇航局已開(kāi)展了大量針對(duì)常規(guī)可燃物的拋物飛行微重力燃燒和火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，積累了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。目前，我國(guó)尚未開(kāi)展拋物飛行實(shí)驗(yàn)，可以通過(guò)國(guó)際合作完成相關(guān)微重力電池火災(zāi)的研究。實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星、載人航天器以及空間站可以提供長(zhǎng)時(shí)間的微重力實(shí)驗(yàn)環(huán)境。近期，美國(guó)天鵝座宇宙補(bǔ)給飛船完成了多次大尺度的太空火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，對(duì)微重力燃燒與火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)提供了全新的認(rèn)識(shí)[4]。2016年發(fā)射的實(shí)踐十號(hào)返回式衛(wèi)星，是我國(guó)第一個(gè)專用的微重力實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，15天內(nèi)完成了多項(xiàng)微重力燃燒與火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，為未來(lái)的衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)[102]。了解太空環(huán)境中鋰離子電池的熱安全性和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)需要大量長(zhǎng)時(shí)間的太空實(shí)驗(yàn)。如何優(yōu)化太空實(shí)驗(yàn)方案和獲取更多有效數(shù)據(jù)，是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

圖5 常見(jiàn)的微重力實(shí)驗(yàn)：(a)低壓實(shí)驗(yàn)和微重力實(shí)驗(yàn)的火焰對(duì)比[103]，(b)中科院力學(xué)所落塔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，(c)拋物飛行微重力與超重力實(shí)驗(yàn)原理圖，(d)實(shí)踐十號(hào)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，(e)未來(lái)中國(guó)空間站概念圖。

模擬仿真計(jì)算是研究電池?zé)崾Э嘏c火災(zāi)的重要方式[20]。由于電解液燃燒和噴射氣體火焰對(duì)鋰電池?zé)崾Э氐幕馂?zāi)危害有重要影響，需要同時(shí)模擬氣相和固相化學(xué)反應(yīng)和輸運(yùn)過(guò)程。同時(shí)考慮到微重力下的熱失控與燃燒現(xiàn)象的特殊性，需要建立更加完善的數(shù)值模型來(lái)解釋這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，描述太空電池火災(zāi)中的物理化學(xué)主控機(jī)理。目前，由于微重力實(shí)驗(yàn)的成本極高、測(cè)試工況有限[4,5,101,102]，無(wú)法提供足夠的信息來(lái)全面了解鋰離子電池在空間站中長(zhǎng)期運(yùn)行中的安全性。因此，需要使用數(shù)值模型來(lái)預(yù)測(cè)不同鋰離子電池及電池組的熱失控風(fēng)險(xiǎn)，綜合評(píng)估電池在不同太空運(yùn)行環(huán)境下的熱安全性。此外，數(shù)值模擬計(jì)算將為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)提供重要的參數(shù)，并對(duì)空間站的整體能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)意義[72]。

4 空間站電池?zé)峁芾砗拖老到y(tǒng)設(shè)計(jì)的展望

太空環(huán)境中鋰電池?zé)崾Э睾推鸹瓞F(xiàn)象的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性給空間站電池?zé)峁芾砗拖老到y(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。根據(jù)前文中對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)研究的展望，太空環(huán)境中鋰電池消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可從熱失控預(yù)防、熱失控探測(cè)以及電池火災(zāi)抑制三個(gè)方面展開(kāi)。

對(duì)于熱失控預(yù)防，除了優(yōu)化鋰電池制作工藝及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)以提升其熱穩(wěn)定性(即提高鋰電池單體的熱失控觸發(fā)溫度)外，在使用過(guò)程中改善鋰離子電池的散熱條件也是一個(gè)重要的途徑?，F(xiàn)有的研究表明常重力環(huán)境下鋰離子電池?zé)崾Э匕l(fā)生的最低溫度與散熱條件呈對(duì)數(shù)關(guān)系[104]，太空環(huán)境中自然對(duì)流散熱作用的消失會(huì)使電池發(fā)生熱失控的概率大大增加。因此，可基于太空環(huán)境中鋰電池?zé)崾Э嘏R界條件的研究成果改善鋰電池使用過(guò)程中的散熱條件，降低鋰電池因工作內(nèi)部缺陷等原因引起異常發(fā)熱從而誘發(fā)熱失控的可能性。除了提高鋰電池單體的熱失控觸發(fā)溫度和改善電池模組的散熱條件外，設(shè)計(jì)安全可靠的電氣連接方式對(duì)熱失控傳播的預(yù)防也是大有裨益。分析電氣連接方式對(duì)太空環(huán)境下熱失控傳播的影響有助于厘清傳播過(guò)程中的主要熱傳遞方式，對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)和消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有重要意義。

煙溫一體探測(cè)器是常重力下鋰離子熱失控中后期探測(cè)的優(yōu)先選擇，但傳統(tǒng)探測(cè)器在熱失控前期無(wú)法預(yù)警的缺陷是當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題[105]。常重力環(huán)境下主要使用水系滅火劑冷卻電池或使用七氟丙烷滅火劑化學(xué)抑制火災(zāi)[105]。重力水平的降低使鋰電池?zé)崾Э靥匦宰兊母訌?fù)雜，因此需要系統(tǒng)開(kāi)展太空環(huán)境中熱失控特性的一系列基礎(chǔ)性研究，為熱失控探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和滅火劑的選擇提供科學(xué)指導(dǎo)。

5 結(jié)論

在微重力的太空環(huán)境下，自然對(duì)流散熱作用的消失使鋰離子電池更容易發(fā)生熱失控和點(diǎn)火。電池燃燒產(chǎn)生的火焰具有峰值溫度低、煙黑濃度大、火蔓延速度快和不宜熄滅等特點(diǎn)。鋰離子電池?zé)崾Э貙?dǎo)致的燃燒和火災(zāi)現(xiàn)象十分復(fù)雜，燃燒中涉及電池內(nèi)部氧氣和多種可燃?xì)怏w的釋放，鋰金屬顆粒和火焰的多次噴射，多次復(fù)燃和燃爆等極端火行為。與常重力環(huán)境相比，太空環(huán)境中的鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)以及煙霧報(bào)警裝置需要更高的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。因此，開(kāi)展模擬太空微重力環(huán)境下的電池?zé)崾Э睾突馂?zāi)的各類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和仿真數(shù)值計(jì)算，對(duì)于鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)安全地應(yīng)用于載人飛船、空間站、未來(lái)的登月和火星計(jì)劃等領(lǐng)域具有重要的指導(dǎo)意義。