張艷,雷虎,越云博,胡冉,季柳燕,胡華榮*
(1.海軍裝備部駐上海地區(qū)第六軍事代表室,上海 201108;2.上海空間電源研究所,上海 201108)
本文為進(jìn)一步提升鋰一次電池的可靠性,現(xiàn)對(duì)鋰一次電池進(jìn)行熱失控反應(yīng)實(shí)驗(yàn),研究鋰一次電池?zé)崾Э蒯尫艤囟群偷蛪涵h(huán)境之間的相關(guān)性,為制定和完善鋰一次電池提供相應(yīng)的依據(jù)和參考。
采用壓力動(dòng)態(tài)化調(diào)整的方式,將低氣壓環(huán)境的壓力設(shè)置為30kPa、60kPa和101kPa,以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性和可靠性。對(duì)鋰一次電池進(jìn)行熱失控反應(yīng)實(shí)驗(yàn),以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能化熱失控釋放溫度與低壓環(huán)境之間相關(guān)性和科學(xué)分析和研究。本實(shí)驗(yàn)所利用的系統(tǒng)主要為NI-cDAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),將溫度采集頻率設(shè)置為10Hz。熱電偶型號(hào)為K型,熱電偶采用點(diǎn)狀焊接的方式,以提高鋰一次電池的反應(yīng)靈敏度。本實(shí)驗(yàn)所用電池型號(hào)為鋰一次電池,該電池的容量為2.6Ah,同時(shí),將變壓艙內(nèi)的溫度設(shè)置為25℃。
當(dāng)環(huán)境壓力達(dá)到101kPa時(shí),鋰一次電池所釋放的高溫主要有兩種來源途徑,一種是鋰一次電池內(nèi)部要反應(yīng)過于劇烈所致的高溫能量;另一種是鋰一次電池內(nèi)部含有大量可燃性氣體,這些氣體與空氣混合后,發(fā)生二次燃燒反應(yīng),故釋放了大量的高溫能量。
當(dāng)環(huán)境壓力達(dá)到60kPa時(shí),鋰一次電池?zé)崾Э胤磻?yīng)溫度變化曲線與熱失控反應(yīng)后釋放溫度變化曲線如圖1所示:鋰一次電池在整個(gè)熱失控反應(yīng)中,出現(xiàn)了5個(gè)高溫峰值,這說明,隨著環(huán)境壓力值的不斷降低,鋰一次電池所釋放溫度不斷降低,同時(shí),環(huán)境中的氧濃度也呈現(xiàn)出不斷下降趨勢(shì)。在30kPa壓力環(huán)境下,鋰一次電池溫度變化曲線與鋰一次電池?zé)崾Э胤磻?yīng)后所釋放的溫度變化曲線見圖1。當(dāng)環(huán)境壓力達(dá)到101kPa時(shí),電池噴射出口在進(jìn)行實(shí)際的檢測(cè)中,共經(jīng)歷了5個(gè)溫度高峰值,當(dāng)鋰一次電池內(nèi)部溫度不斷上升時(shí),峰值寬度不斷加寬,同時(shí),高溫持續(xù)時(shí)間不斷延長(zhǎng)。因此,當(dāng)環(huán)境壓力達(dá)到30kPa時(shí),鋰一次電池所釋放的溫度峰值數(shù)量不斷降低。此外,與60kPa壓力環(huán)境相比,30kPa壓力環(huán)境所對(duì)應(yīng)的峰值寬度相對(duì)較窄,因此,在該壓力環(huán)境下,所釋放的高溫危險(xiǎn)性也相對(duì)較低,所以,鋰一次電池?zé)崾Э蒯尫艤囟扰c低壓環(huán)境之間存在一定的正相關(guān)關(guān)系。
圖1 60kPa環(huán)境下電池溫度與噴射出口釋放溫度
在以上三種不同壓力環(huán)境下,通過對(duì)鋰一次電池進(jìn)行熱失控實(shí)驗(yàn),并去除兩次重復(fù)實(shí)驗(yàn),從而得到如圖2所示的鋰一次電池?zé)崾Э蒯尫艤囟确植?。從圖中可以看出:隨著環(huán)境壓力值的不斷降低,鋰一次電池?zé)崾Э蒯尫艤囟瘸尸F(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì),同時(shí),所釋放的溫度危險(xiǎn)性也逐漸下降,這說明鋰一次電池?zé)崾Э蒯尫艤囟扰c低壓環(huán)境之間存在正相關(guān)關(guān)系。
圖2 3種壓力環(huán)境下鋰一次電池?zé)崾Э蒯尫艤囟确植?/p>
為了提高對(duì)鋰一次電池?zé)崾Э蒯尫艤囟瓤刂菩屎托Ч?,除了控制低壓環(huán)境外,還要重視對(duì)熱釋放速率的控制,通過采用變溫方式,借助熱量釋放測(cè)試平臺(tái)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),在30kPa、60kPa和101kPa三種不同壓力環(huán)境下,本實(shí)驗(yàn)所獲得和整理熱失控釋放速率相關(guān)信息數(shù)據(jù),為后期更好地優(yōu)化實(shí)驗(yàn)操作流程提供相應(yīng)的依據(jù)和參考。在101kPa壓力環(huán)境下,鋰一次電池所釋放的溫度高峰值為8.8kW;在60kPa壓力環(huán)境下,鋰一次電池所釋放的溫度高峰值為5.8kW;在30kPa壓力環(huán)境下,鋰一次電池所釋放的溫度高峰值為2.5kW,由此可見,當(dāng)環(huán)境壓力值不斷下降時(shí),鋰一次電池所釋放的溫度高峰值呈現(xiàn)出不斷下降趨勢(shì),同時(shí),鋰一次電池內(nèi)部燃燒強(qiáng)度也呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì),因此,在進(jìn)行鋰一次電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)的過程中,一旦鋰一次電池內(nèi)部反應(yīng)過于劇烈,勢(shì)必會(huì)增大相關(guān)環(huán)境噴射的熱量,當(dāng)鋰一次電池所釋放的可燃性氣體與空氣充分混合后,會(huì)出現(xiàn)二次燃燒,從而提高了鋰一次電池?zé)崾Э蒯尫艤囟取?/p>
通過以上實(shí)驗(yàn),得到以下結(jié)論:1)當(dāng)環(huán)境壓力達(dá)到60kPa時(shí),鋰一次電池最高溫度持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短,同時(shí),釋放的高溫危險(xiǎn)性較低,這些高溫?zé)崃恐饕袃煞N來源途徑,一種是鋰一次電池內(nèi)部材料反應(yīng)后所釋放的能量;另一種是鋰一次電池內(nèi)部釋放的可燃性物質(zhì)與空氣接觸反應(yīng)后所釋放的熱量。2)當(dāng)環(huán)境壓力達(dá)到30kPa時(shí),鋰一次電池?zé)嶙罡邷囟瘸掷m(xù)時(shí)間不斷縮短,同時(shí),釋放的高溫危險(xiǎn)性最低,這些高溫?zé)崃咳縼碓从阡囈淮坞姵貎?nèi)部材料反應(yīng)后所釋放的能量。3)隨著環(huán)境壓力值的不斷減小,鋰一次電池最高溫度持續(xù)時(shí)間呈現(xiàn)出不斷下降趨勢(shì),當(dāng)鋰一次電池?zé)崾Э蒯尫诺哪芰窟_(dá)到一定值時(shí),鋰一次電池表面溫度將會(huì)上升到900℃以上,因此,鋰一次電池?zé)崾Э蒯尫艤囟扰c低壓環(huán)境之間存在正相關(guān)關(guān)系。