【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，相關爆炸特性參數可為儲能電站等應(ying)用場景的防爆(bao)抑爆(bao)設計提(ti)供理(li)論依據。

一、前言

鋰離子電(dian)池(chi)(chi)熱(re)失(shi)控(kong)過程(cheng)會(hui)產生由多(duo)種(zhong)可(ke)(ke)燃組分構成的(de)混合(he)氣體，這(zhe)種(zhong)熱(re)解氣一(yi)旦(dan)被(bei)點燃會(hui)出現不(bu)可(ke)(ke)控(kong)的(de)嚴重后果(guo)。測定鋰電(dian)池(chi)(chi)熱(re)失(shi)控(kong)產氣的(de)爆(bao)(bao)炸極限與極限氧濃度，可(ke)(ke)為儲能(neng)電(dian)站等爆(bao)(bao)炸性環境(jing)的(de)氧濃度控(kong)制提供理論依據(ju)，有(you)效(xiao)預防爆(bao)(bao)炸和火災事(shi)故(gu)；也可(ke)(ke)為地下車(che)庫等應用場景的(de)通風設計提供數據(ju)支持，提高公(gong)共安全性。

2021年1月12日上午6時23分（韓國當(dang)地時間）蔚山南區(qu)SK能源公司發(fa)生火災, 一(yi)幢三層電池儲能大(da)樓被(bei)燒(shao)毀。

本(ben)次實(shi)驗(yan)選擇應用于儲能站的265Ah磷酸鐵(tie)鋰電芯，通過(guo)人工配氣(qi)(qi)模擬其熱失控所產生的混合氣(qi)(qi)體，并使(shi)用仰(yang)儀科(ke)技HWP21-30S型(xing)爆(bao)炸極(ji)限試驗(yan)儀進(jin)行產氣(qi)(qi)爆(bao)炸特(te)性(xing)研究(jiu)。實(shi)驗(yan)結果表明，常溫常壓下電池產氣(qi)(qi)的爆(bao)炸下限（LEL）為(wei)6.80%，爆(bao)炸上(shang)限（UEL）為(wei)40.63%，極(ji)限氧濃度(du)（LOC）為(wei)7.50%。

二、實驗部分

1. 樣品準備

（1）氮氣(qi)：純度不低于99.8 %（體積分(fen)數）。

（2）待測混合氣體(ti)(ti)：成分比例如下(xia)圖，用以(yi)模擬(ni)磷(lin)酸(suan)鐵鋰電芯(xin)熱失控所(suo)產生的混合氣體(ti)(ti)。

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(yan)模式：氣體(ti)試樣

試驗容器體積：5L

環境壓力：101.29kPa

攪拌時間：5min

點火溫度(du)：20℃

二次控溫：是(shi)

圖(tu)2 (a) HWP21-30S爆(bao)炸極(ji)限試驗儀; (b) 實驗裝置現場(chang)圖(tu)

3. 測試方法

（1）爆炸極限測定

參見GB/T 21844-2008 化合物(蒸氣(qi)和氣(qi)體)易(yi)燃性濃度(du)限(xian)值的標準試驗方法(fa)；GB/T 12474-2008空(kong)氣(qi)中可燃氣(qi)體爆(bao)炸極(ji)限(xian)測定(ding)方法(fa)。

（2）極限(xian)氧濃度(du)測定(ding)

參見GB/T 38301-2019可(ke)燃氣體或蒸(zheng)氣極限氧濃(nong)度(du)測定方法。

三、實(shi)驗(yan)結果

1. 燃燒判定標準

根據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(dai)測混合氣體(ti)被點燃的判定標準

注：距(ju)離器壁13mm處用紅色圓(yuan)圈表示。

2. 爆炸極限實驗結果

（1）爆炸下限

進行爆(bao)炸(zha)下(xia)限測(ce)試時，測(ce)得zui jie jin火焰(yan)傳播和(he)火焰(yan)不(bu)傳播時的(de)實(shi)驗效果如實(shi)驗錄像1所示，可以計算爆(bao)炸(zha)下(xia)限LEL=0.5×(6.526+7.077)%=6.80%。

實驗錄像1 (a) 火焰不傳播X_TS =6.526%; (b) 火焰傳播X_TS =7.077%

（2）爆炸上限

進行爆炸上限測試時，測得zui jie jin火焰傳播和火焰不傳播時的實驗效(xiao)果如(ru)下(xia)，可以計算爆炸上限(xian)UEL=0.5×(41.043+40.225)%=40.63%。

實驗錄像2 (a) 火焰不傳播X_TS =41.043%; (b) 火焰傳播X_TS  =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GB/T 38301-2019，當UEL≤ 0.8 × (100-X_air，L)，適用簡易實驗程(cheng)序。

圖4 電池產氣極限氧濃度三元圖

如圖4所示，通過程序實驗逐步確定爆炸區頂點空氣體積分數（X_air，L），并測定0.8倍頂點惰性氣體體積分數（0.8 X_in，L）的混合氣體爆炸極限(xian)，以驗證(zheng)極限(xian)空氣濃度LAC位于爆炸區(qu)頂(ding)點，此時(shi)：

LAC = X_air，L = 35.89％

隨(sui)后可(ke)通(tong)過公式計算混合(he)氣體的極限氧濃(nong)度(du)：

LOC = LAC × 0.209 = 7.50％

待測(ce)混合(he)氣體的三元圖既可以確(que)定(ding)極(ji)限氧濃度(du)，也(ye)可以表征爆炸區范圍(wei)，反映(ying)電(dian)池產氣的爆炸區臨界濃度(du)分布規律。

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氣的極限氧濃度。以該數據為(wei)基礎，通過提(ti)高惰性氣體濃度或(huo)降低氧濃度進行(xing)抑爆(bao)設計，可(ke)以有效預防(fang)爆(bao)炸風(feng)險，提(ti)高儲能電站等(deng)應用場景的安全性。