顧衛(wèi)娟 黃文曉 楊云 張金專 金靜 王鑫玉

(1.?？谑邢谰仍ш?duì) 海口070100； 2.中國(guó)人民警察大學(xué)研究生院 河北廊坊 065000；3.中國(guó)人民警察大學(xué)偵查學(xué)院 河北廊坊 065000)

0 引言

三元鋰電池因其能量密度高、低溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越多的交通工具生產(chǎn)企業(yè)選擇作為其產(chǎn)品的動(dòng)力源[1]。但是近年來(lái)，因三元鋰電池不合理使用造成熱失控引發(fā)的火災(zāi)，對(duì)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了極大威脅[2]。視頻分析技術(shù)在當(dāng)今的火災(zāi)調(diào)查工作中扮演著重要角色，其既能在非接觸火場(chǎng)的前提下進(jìn)行痕跡勘驗(yàn)，又能對(duì)火災(zāi)過(guò)程等信息進(jìn)行時(shí)空記錄[3-4]，越來(lái)越多的火災(zāi)事故調(diào)查工作依靠視頻分析技術(shù)得以順利開(kāi)展[5]。本文對(duì)常見(jiàn)的三元鋰電池通過(guò)加熱板高溫誘發(fā)熱失控，由攝像機(jī)記錄其熱失控過(guò)程，利用視頻分析結(jié)合其熱失控過(guò)程的熱流變化，研究不同類型三元鋰電池的熱失控過(guò)程特征規(guī)律，對(duì)于研究三元鋰電池火災(zāi)的起火原因、起火過(guò)程等火災(zāi)調(diào)查工作具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

根據(jù)三元鋰電池中鎳(Ni)、鈷(Co)和錳(Mn)的比例不同，選取商業(yè)化的4種常見(jiàn)類型三元鋰電池：NCM111、NCM523、NCM622、NCM811，鋰電池單體的尺寸為26.5 mm×91.6 mm×148.5 mm，電池單體的質(zhì)量為844 g，每塊電池的SOC值為100%；加熱鋰電池的加熱板功率為700 W，三元鋰電池模組采用4塊鋰電池單體串聯(lián)組成。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

將4塊同等型號(hào)規(guī)格的鋰離子電池用金屬框架固定在地面上，電池的右側(cè)緊貼加熱板，如圖1所示。為防止散熱的影響，在加熱板和金屬框架之間放置隔熱板，隔熱板的尺寸和電池的尺寸一致，具體實(shí)物如圖2所示。在加熱板的作用下，1#電池會(huì)先發(fā)生熱失控，出現(xiàn)電池噴發(fā)現(xiàn)象；當(dāng)1#電池噴發(fā)后，立即關(guān)閉加熱器的電源，隨后的2#～4#電池依次在前一節(jié)熱失控電池傳熱的作用下發(fā)生熱失控。在距離電池組25 cm處布置一個(gè)輻射熱流計(jì)，記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中熱流變化，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)攝像機(jī)記錄其熱失控的過(guò)程，具體實(shí)驗(yàn)布置如圖3所示。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為6 m×4 m×3.5 m的空曠房間。

圖1 電池布置

圖2 電池實(shí)物

(a)實(shí)驗(yàn)布置情況

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 不同型號(hào)電池組中1#電池?zé)崾Э貢r(shí)特征分析

對(duì)4種三元鋰電池組進(jìn)行熱失控實(shí)驗(yàn)，每組的1#電池在加熱板的作用下內(nèi)部升溫，進(jìn)而引發(fā)鋰電池?zé)崾Э?。每組1#電池?zé)崾Э氐那捌诙际窍柔尫懦錾倭堪咨珶煔?，緊隨著就是劇烈的熱失控過(guò)程。

在相同的加熱條件下，各組中1#電池開(kāi)始發(fā)生熱失控時(shí)的煙氣釋放特征如圖4所示。在發(fā)生熱失控的瞬間，4種不同型號(hào)三元鋰電池中NCM111釋放出的煙氣濃度最大，煙氣顏色相對(duì)最濃黑，其后依次為NCM523、NCM622、NCM811；在幾種鋰電池?zé)崾Э貒姲l(fā)瞬間，NCM111和NCM523有少量的火星和顆粒物噴出，NCM622有大量的火星和顆粒物噴出，NCM811無(wú)火星和顆粒物噴出。

(a)NCM111 (b)NCM523 (c)NCM622 (d)NCM811圖4 不同型號(hào)電池組1#電池開(kāi)始失控時(shí)特征

2.2 不同型號(hào)電池組中1#電池?zé)崾Э剡^(guò)程分析

對(duì)于4組不同型號(hào)的三元鋰電池模組，其各自1#電池發(fā)生熱失控所經(jīng)歷的時(shí)間為10～20 s，每種三元鋰電池由于其內(nèi)部鎳(Ni)、鈷(Co)和錳(Mn)的比例不同，所以在發(fā)生熱失控過(guò)程中表現(xiàn)出不同的煙氣和火焰特征。根據(jù)每組1#電池在失控過(guò)程中所表現(xiàn)出的明顯煙氣和火焰特征變化，將每個(gè)電池模組的1#電池?zé)崾Э剡^(guò)程分為4個(gè)階段，標(biāo)明每個(gè)階段所經(jīng)歷的時(shí)間，分析各型號(hào)三元鋰電池?zé)崾Э剡^(guò)程，對(duì)比不同三元鋰電池的熱失控特征。

NCM111電池組1#電池?zé)崾Э剡^(guò)程如圖5所示。NCM111鋰電池在熱失控的整個(gè)過(guò)程中不產(chǎn)生火焰，只有少許火星噴出；失控的前期產(chǎn)生的煙氣較淡，隨后煙氣顏色變濃黑，但是在最后階段冒出灰白色煙氣；失控過(guò)程的階段3經(jīng)歷時(shí)間接近10 s，該階段產(chǎn)生大量濃黑煙氣。

(a)階段1(0.2 s) (b)階段2(1.19 s) (c)階段3(9.56 s) (d)階段4(1.68 s)圖5 NCM111電池組1#電池?zé)崾Э剡^(guò)程

NCM523電池組1#電池?zé)崾Э剡^(guò)程如圖6所示。NCM523鋰電池在整個(gè)失控過(guò)程中未產(chǎn)生明火，噴出大量的火星和顆粒物；在熱失控的前期煙氣較淡，由于煙氣中伴隨著大量的火星，整體呈現(xiàn)出橘紅色，在失控的最后階段噴射出大量的淡灰色煙氣；失控過(guò)程的階段3產(chǎn)生大量的濃黑煙氣，該階段經(jīng)歷時(shí)間也最長(zhǎng)，為6.23 s。

(a)階段1(2.48 s) (b)階段2(1.94 s) (c)階段3(6.23 s) (d)階段4(2.07 s)圖6 NCM523電池組1#電池?zé)崾Э剡^(guò)程

NCM622電池組1#電池?zé)崾Э剡^(guò)程如圖7所示。NCM622鋰電池在失控過(guò)程中產(chǎn)生明顯的火焰和較少的煙氣，火焰在鋰電池噴射口上方斷續(xù)噴出，火焰最高可達(dá)135 cm；在失控的后期階段火焰消失，產(chǎn)生淡白色濃煙；失控過(guò)程的階段3經(jīng)歷時(shí)間最長(zhǎng)，該階段主要噴射出斷續(xù)的火焰。

(a)階段1(1.03 s) (b)階段2(0.2 s) (c)階段3(7.18 s) (d)階段4(3.17 s)圖7 NCM622電池組1#電池?zé)崾Э剡^(guò)程

NCM811電池組1#電池?zé)崾Э剡^(guò)程如圖8所示。NCM811鋰電池在失控過(guò)程中產(chǎn)生明顯的連續(xù)火焰，火焰從電池噴射口噴出，只在階段1產(chǎn)生明顯黑色煙氣；失控過(guò)程的階段4經(jīng)歷時(shí)間最長(zhǎng)，為7.14 s，該階段噴射出的火焰高度接近120 cm。

由圖5～圖8可以看出，不同型號(hào)的三元鋰電池表現(xiàn)出不同的熱失控特征。首先，直觀上可以看出，NCM111和NCM523在熱失控過(guò)程中具有一定的相似性，兩者都產(chǎn)生大量煙氣，且在整個(gè)失控過(guò)程一直以噴射出大量濃煙氣為主；不同的是NCM523較NCM111產(chǎn)生的火星和顆粒物更多，其噴射高度也更高。NCM622、NCM811與NCM111、NCM523相比明顯不同是，其熱失控過(guò)程產(chǎn)生的煙氣量較少，煙氣顏色較淡，但是均產(chǎn)生猛烈的火焰；其中NCM622產(chǎn)生的火焰不連續(xù)，有一定的間斷性，有可燃?xì)怏w噴出，在電池噴射口上方空中燃燒形成火球和火焰，火焰的最高噴射高度達(dá)135 cm，熱失控后期有灰白色煙霧不斷冒出。NCM811與NCM622的不同點(diǎn)是，其熱失控過(guò)程產(chǎn)生的火焰連續(xù)噴射出，噴射強(qiáng)度相對(duì)較弱，最高火焰噴射高度達(dá)120 cm。

(a)階段1(2.96 s) (b)階段2(3.46 s) (c)階段3(1.66 s) (d)階段4(7.14 s)圖8 NCM811電池組1#電池?zé)崾Э剡^(guò)程

4種不同型號(hào)鋰電池?zé)崾Э亟Y(jié)束時(shí)，實(shí)驗(yàn)房間的煙氣濃度情況如圖9所示。NCM111和NCM523電池在熱失控結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的煙氣量將要充滿整個(gè)實(shí)驗(yàn)房間，而NCM622和NCM811電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的煙氣則遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有充滿實(shí)驗(yàn)房間。NCM111和NCM811產(chǎn)生的煙氣顏色較深，NCM523和NCM622產(chǎn)生的煙氣顏色則較淺，主要是白色煙氣。

(a)NCM111 (b)NCM523 (c)NCM622 (d)NCM811圖9 不同型號(hào)電池組1#電池?zé)崾Э亟Y(jié)束

2.3 不同型號(hào)電池組熱失控過(guò)程時(shí)間分析

不同型號(hào)鋰電池組在熱失控實(shí)驗(yàn)中每塊電池的失控時(shí)間記錄分析如表1所示。觸發(fā)1#電池?zé)崾Э厮钑r(shí)間最長(zhǎng)的是NCM523，為3 min 52 s；所需時(shí)間最短的是NCM622，為2 min 34 s。1#電池?zé)崾Э亟?jīng)歷時(shí)間最長(zhǎng)的是NCM111，為18 s；經(jīng)歷時(shí)間最短的是NCM622，為10 s。每塊鋰電池單體熱失控過(guò)程經(jīng)歷時(shí)間最長(zhǎng)的是NCM523，經(jīng)歷時(shí)間最短的是NCM622。前一塊電池單體失控結(jié)束到后一塊電池單體失控開(kāi)始，經(jīng)歷時(shí)間最長(zhǎng)的是NCM111，經(jīng)歷時(shí)間最短的是NCM523。整個(gè)熱失控過(guò)程時(shí)間最長(zhǎng)的是NCM111，為11 min 25 s；整個(gè)熱失控過(guò)程時(shí)間最短的是NCM622，為6 min 50 s。從每塊鋰電池單體熱失控經(jīng)歷時(shí)間和整個(gè)電池組熱失控過(guò)程時(shí)間看，NCM523和NCM811電池具有一定的相似性。

表1 不同型號(hào)電池組熱失控過(guò)程時(shí)間分析

2.4 不同型號(hào)電池組熱失控過(guò)程輻射熱流分析

4種電池組在熱失控實(shí)驗(yàn)過(guò)程中輻射熱流的變化情況如圖10所示。每組電池在熱失控實(shí)驗(yàn)中都會(huì)出現(xiàn)多個(gè)熱流峰值，其中NCM111、NCM523和NCM811電池都是第一個(gè)峰值最大，NCM622電池則是最后一個(gè)峰值最大。從峰值大小來(lái)看，由于NCM111電池在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中幾乎沒(méi)有出現(xiàn)明火，所以其輻射熱流相對(duì)最小，最大輻射熱流量為138.9 W/m2；NCM523電池在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中噴射出大量的火星和熱顆粒物，最大輻射熱流量為8 346.2 W/m2；NCM622電池在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中噴射出猛烈的火焰，所以其輻射熱流最大，最大輻射熱流量為328 215.1 W/m2；NCM811電池在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中噴射出連續(xù)的火焰，最大輻射熱流量為135 388.7 W/m2。

(a)NCM111

3 結(jié)論

(1)4種三元鋰電池組1#電池開(kāi)始熱失控時(shí)，產(chǎn)生煙氣濃度由大到小的順序?yàn)椋篘CM111、NCM523、NCM622、NCM811，其中NCM622伴有火星和顆粒物噴出。

(2)NCM111和NCM523的1#電池在熱失控過(guò)程中產(chǎn)生大量煙氣，不產(chǎn)生明火；NCM622和NCM811的1#電池在熱失控過(guò)程中產(chǎn)生猛烈火焰，生成較少煙氣；NCM622的1#電池產(chǎn)生斷續(xù)噴射火焰，火焰高度達(dá)135 cm；NCM811的1#電池產(chǎn)生連續(xù)火焰，火焰高度達(dá)120 cm。

(3)整個(gè)電池組熱失控過(guò)程時(shí)間最長(zhǎng)的是NCM111，最短的是NCM622；NCM523和NCM811在熱失控的時(shí)間上具有一定的相似性。

(4)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，鋰電池的熱輻射流量出現(xiàn)多個(gè)峰值，其中NCM111、NCM523和NCM811電池都是第一個(gè)峰值最大，NCM622電池是最后一個(gè)峰值最大。在各電池組中，NCM622的熱流量峰值最大，約為328 kW/m2。