中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
作者：丁奕 1 楊艷 2陳鍇 2曾濤 1 黃云輝 2
單位：1. 上海材料研究所；2. 華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院
引用：丁奕,楊艷,陳鍇等.鋰離子電池智能消防及其研究方法[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2022,11(06):1822-1833.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-
4239.2022.0024
摘 要 鋰離子電池是儲(chǔ)能領(lǐng)域最具應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值的一類電化學(xué)器件，電池安全備受關(guān)注。研究電池?zé)崾Э丶爸悄芟缹?duì)于提高儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性具有重要意義。本文對(duì)目前鋰離子電池安全及智能消防方面的研究進(jìn)行了梳理，現(xiàn)階段的電池安全研究主要集中在本征安全、檢測(cè)安全以及消防安全三個(gè)層面，但受限于該領(lǐng)域的研究起步較晚，依舊存在較多問(wèn)題。我們結(jié)合鋰離子電池安全研究現(xiàn)狀，分析了電池?zé)崾Э氐倪^(guò)程及前后特點(diǎn)，指出了目前電池消防系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，并由此提出了電池智能消防系統(tǒng)的基本框架及其研究方法。通過(guò)將實(shí)際條件與實(shí)驗(yàn)條件結(jié)合分析，針對(duì)實(shí)驗(yàn)硬件和檢測(cè)指標(biāo)開(kāi)展了討論；重點(diǎn)聚焦研究平臺(tái)中的電池燃燒載體的搭建與設(shè)計(jì)思路，并對(duì)熱失控觸發(fā)方式和噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)與分析；同時(shí)提出了現(xiàn)有消防檢測(cè)系統(tǒng)在鋰電領(lǐng)域應(yīng)用的局限性，詳細(xì)介紹了鋰離子電池智能消防中包括溫度、電壓、早期產(chǎn)氣等重要預(yù)警指標(biāo)的作用和其在研究中常用的采集及分析方式。
關(guān)鍵詞 鋰離子電池；熱失控；儲(chǔ)能；智能消防；測(cè)試方法
隨著科技的發(fā)展以及人們對(duì)于新能源和儲(chǔ)能技術(shù)需求的不斷提高，各種新能源器件的開(kāi)發(fā)也取得了巨大的進(jìn)展。尤其是鋰離子電池，由于其優(yōu)異的電化學(xué)性能，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于3 C(計(jì)算機(jī)類、通信類和消費(fèi)類電子產(chǎn)品三者的統(tǒng)稱)產(chǎn)品、新能源汽車以及儲(chǔ)能系統(tǒng)，徹底改變了人們的生活方式。其中，鋰離子電池在3 C產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，在新能源汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用前景巨大。鋰離子電池目前正處于高速發(fā)展階段，其本身的性能隨著實(shí)際應(yīng)用需求繼續(xù)提升，安全問(wèn)題是制約其發(fā)展的重要因素。電池事故的頻發(fā)，對(duì)其在新能源汽車及大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用造成了巨大的影響，如何提高鋰離子電池安全性是亟待解決的問(wèn)題，電池的智能消防因而顯得尤為重要。
1 鋰離子電池安全管理的研究概況
目前針對(duì)鋰離子電池安全問(wèn)題，主要開(kāi)展以下幾個(gè)方面的研究：①提高鋰離子電池本身的穩(wěn)定性，降低其熱失控風(fēng)險(xiǎn)；②設(shè)計(jì)鋰離子電池安全智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及早對(duì)熱失控風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警和干預(yù)；③針對(duì)鋰離子電池燃燒特點(diǎn)，研發(fā)高效的專用滅火劑。
如何提高鋰離子電池?zé)岱€(wěn)定性是目前電池安全管理的主要關(guān)注點(diǎn)。電池安全是一個(gè)系統(tǒng)工程，不僅取決于電池材料的本征安全，而且還和電池設(shè)計(jì)與制備、電池系統(tǒng)與管理以及電池的使用等密切相關(guān)。針對(duì)電池材料的本征安全已有大量工作報(bào)道，例如，Zhang等通過(guò)用低聚環(huán)氧乙烷取代的氟硅烷化合物對(duì)鋰離子電解液進(jìn)行改性，提高了電解液的穩(wěn)定性與安全性；Liu等則通過(guò)提高電解液中的鹽濃度，提高了鋰金屬電池的熱穩(wěn)定性；Jiang等通過(guò)在隔膜上構(gòu)建氧化鋁的微觀框架結(jié)構(gòu)，有效提高了隔膜的熱穩(wěn)定性以及與電解質(zhì)親和能力，從而提高了鋰離子電池的安全性。然而，從電池材料本身著手解決安全性的方案難度較大，且受限于市場(chǎng)上電池標(biāo)準(zhǔn)工藝和生產(chǎn)成本等問(wèn)題，目前尚未徹底解決鋰離子電池的安全隱患，電池用戶依然面臨熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。
給鋰離子電池配置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是目前較為常見(jiàn)的提高其可靠性的手段。通過(guò)在鋰離子電池周圍或者內(nèi)部安置監(jiān)測(cè)元件，并結(jié)合預(yù)先設(shè)置的算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以有效監(jiān)控鋰離子電池的工作狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)異常情況。盡管已經(jīng)存在多種監(jiān)測(cè)方案，但是目前的方案依然有待于進(jìn)一步完善，如何對(duì)具有熱失控風(fēng)險(xiǎn)的電池進(jìn)行更早、更精準(zhǔn)辨別，依然是研究人員們亟需解決的難題。在鋰離子電池的實(shí)際應(yīng)用中，這種監(jiān)測(cè)方案對(duì)電池老化或緩慢熱累積導(dǎo)致熱失控等健康演變比較有效，但若電池出現(xiàn)碰撞、針刺或短路等快速猛烈的外界干預(yù)時(shí)，目前的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)難以有效阻止電池進(jìn)入燃燒乃至爆炸的極端情況。在這種情況下，就需要對(duì)電池進(jìn)行有效滅火，減少用戶財(cái)產(chǎn)損失，保障人身安全。
近年來(lái)電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能電站的火災(zāi)事故頻發(fā)，鋰離子電池的安全問(wèn)題已引起人們高度關(guān)注。鋰離子電池的燃燒具有多類火災(zāi)的燃燒特點(diǎn)，且易復(fù)燃易爆炸，目前尚沒(méi)有完善的消防方案以及專用的滅火劑，有大量研究針對(duì)鋰離子電池的火災(zāi)消防進(jìn)行展開(kāi)。王銘民等針對(duì)不同滅火劑對(duì)磷酸鐵鋰電池燃燒的滅火效果開(kāi)展了研究，結(jié)合鋰離子電池特點(diǎn)，對(duì)滅火劑降溫效果進(jìn)行了分析，論證了降溫在電池火災(zāi)的撲滅中具有重要意義。Rao等采用二氧化碳滅火劑、七氟丙烷滅火劑以及干粉滅火劑對(duì)100 Ah的動(dòng)力電池的燃燒進(jìn)行了撲滅，并對(duì)三種滅火劑的滅火效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在這三類滅火劑中，七氟丙烷有較好的滅火效果。盡管在該領(lǐng)域的研究取得了一定的進(jìn)展，但由于起步較晚，目前依然處于摸索階段，同時(shí)缺少成熟的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這也阻礙了進(jìn)一步發(fā)展。另一方面，不同于傳統(tǒng)的火災(zāi)，鋰離子電池體系復(fù)雜，具有多種可燃物的類型，且表現(xiàn)出異常復(fù)雜的燃燒特點(diǎn)，對(duì)滅火要求較為苛刻，采用傳統(tǒng)滅火劑的滅火效果非常有限。如CO2、干粉滅火劑對(duì)電路相對(duì)友好，但難以起到降溫作用，無(wú)法阻止鋰離子電池復(fù)燃；七氟丙烷、全氟己酮滅火劑在電路友好的基礎(chǔ)上具有更好的降溫效果，但當(dāng)鋰離子電池火災(zāi)規(guī)模較大時(shí)效果較差，復(fù)燃依舊會(huì)發(fā)生，并且成本高昂，不利于大規(guī)模運(yùn)用；水基滅火劑盡管成本較低，且降溫效果良好，但對(duì)電路有一定的損害。同時(shí)鋰離子電池本身燃燒烈度強(qiáng)，現(xiàn)有滅火劑無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)完成滅火工作。
總體而言，目前鋰離子電池消防依然依托于傳統(tǒng)消防，以儲(chǔ)能電站為例，其消防系統(tǒng)主要采用常規(guī)煙感和溫感作為檢測(cè)手段，在鋰離子電池出現(xiàn)明火的階段可以發(fā)揮一定的作用，起到及時(shí)警示及抑制火勢(shì)的作用?，F(xiàn)階段的鋰離子電池消防的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)也都是基于傳統(tǒng)消防所展開(kāi)，在預(yù)警和限制火情發(fā)展方面具有一定實(shí)用價(jià)值，但效率較低，難以滿足未來(lái)鋰離子電池規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大后的消防需求。因此，深入了解鋰離子電池的燃燒機(jī)理，設(shè)計(jì)專門(mén)的安全管理系統(tǒng)是鋰離子電池消防的核心問(wèn)題。
綜上所述，在提高鋰離子電池本身可靠性的同時(shí)建立高效精確的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并根據(jù)鋰離子電池特點(diǎn)設(shè)計(jì)特種滅火劑及消防方案，可以有效降低鋰離子電池?zé)崾Э乜赡軒?lái)的風(fēng)險(xiǎn)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，首先要對(duì)鋰離子電池的燃燒特點(diǎn)進(jìn)行充分的分析和研究。
2 鋰離子電池燃燒特點(diǎn)
根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《火災(zāi)分類》的規(guī)定，人們將傳統(tǒng)火災(zāi)分為ABCDEF六大類，分別對(duì)應(yīng)：固體物質(zhì)火災(zāi)、液體或可熔化的固體物質(zhì)火災(zāi)、氣體火災(zāi)、金屬火災(zāi)、帶電火災(zāi)以及烹飪器具內(nèi)的烹飪物(如動(dòng)植物油脂)火災(zāi)。目前商業(yè)化的滅火劑及滅火系統(tǒng)也基本上按照此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在研究鋰離子電池火災(zāi)時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)不能簡(jiǎn)單將鋰離子電池的火災(zāi)歸于上述任何一種類型。鋰離子電池在燃燒過(guò)程中兼具ABCDE五種火災(zāi)類型的特點(diǎn)，這就導(dǎo)致其燃燒過(guò)程十分復(fù)雜，控制的難度也遠(yuǎn)超傳統(tǒng)火災(zāi)。除此之外，電池內(nèi)部含有大量固、液、氣等易燃物質(zhì)，導(dǎo)致其火災(zāi)的激烈程度也遠(yuǎn)高于一般的火災(zāi)，并具有爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。為了更有效地對(duì)鋰離子電池火災(zāi)進(jìn)行消防，研究人員們對(duì)其燃燒機(jī)理及特點(diǎn)進(jìn)行了深入地研究。
鋰離子電池的燃燒主要是由熱失控引起的，能夠誘熱失控的因素有很多，包括撞擊、穿刺、過(guò)熱、短路等，通常將此類情況統(tǒng)稱為熱濫用觸發(fā)熱失控。當(dāng)電池進(jìn)入熱失控狀態(tài)后，在無(wú)外界干預(yù)的情況下這個(gè)過(guò)程是不可逆轉(zhuǎn)的，其內(nèi)部溫度會(huì)持續(xù)升高，導(dǎo)致電解質(zhì)和電極材料受熱分解，產(chǎn)生易燃、有害的氣體，進(jìn)一步加劇電池內(nèi)部的各種物理及化學(xué)反應(yīng)，直至出現(xiàn)燃燒甚至爆炸的情況。
鋰離子電池火災(zāi)通常分成三個(gè)階段，分別為外力作用下的熱失控、泄氣以及燃燒爆炸。其中，泄氣階段會(huì)伴隨著可燃?xì)怏w和可燃顆粒的產(chǎn)生，這樣會(huì)加劇鋰離子電池的燃燒，對(duì)滅火造成嚴(yán)重的阻礙。這就使得鋰離子電池火災(zāi)具有多次射流火特點(diǎn)，火災(zāi)中心溫度達(dá)到1000度以上且極易復(fù)燃。
為了更深入地研究鋰離子電池?zé)崾Э厍闆r，研究人員在這三個(gè)階段的基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化，對(duì)電池?zé)崾Э氐娜^(guò)程進(jìn)行了更細(xì)致的劃分。當(dāng)電池溫度僅處于60～80 ℃時(shí)，輕微的產(chǎn)氣行為就已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生，當(dāng)溫度達(dá)到90 ℃時(shí)，固態(tài)電解質(zhì)界面膜SEI(solid electrolyte interphase)發(fā)生重構(gòu)。當(dāng)溫度進(jìn)一步提高到100～140 ℃，SEI膜結(jié)構(gòu)開(kāi)始被破壞，發(fā)生分解反應(yīng)。在此階段，由于SEI膜被破壞導(dǎo)致Li負(fù)極與電解質(zhì)發(fā)生直接接觸，在高溫情況下會(huì)產(chǎn)生乙烯和乙烷等可燃性氣體，進(jìn)一步破壞電極結(jié)構(gòu)，加劇副反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下
在此溫度下，電解質(zhì)中的鹽還會(huì)發(fā)生熱解與水解，生成PF5、POF3、CH3F和HF等有毒害氣體，反應(yīng)如下
當(dāng)溫度繼續(xù)升高到130～180 ℃區(qū)間時(shí)，隔膜融化，電池將出現(xiàn)內(nèi)短路，產(chǎn)生大量的焦耳熱，此時(shí)電池自發(fā)產(chǎn)熱，進(jìn)入熱失控狀態(tài)。值得注意的是，此時(shí)電池內(nèi)部產(chǎn)生熱量以及產(chǎn)生的速率與電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)成正相關(guān)。當(dāng)溫度達(dá)到200 ℃以上時(shí)，正極材料開(kāi)始發(fā)生劇烈的分解反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱并釋放出氧氣，這些氧氣還將和電解質(zhì)發(fā)生如下反應(yīng)，進(jìn)一步放出大量的熱。
其中產(chǎn)生的水又可以參與到生成HF的反應(yīng)中，使得情況進(jìn)一步惡化。當(dāng)鋰離子電池內(nèi)部熱量及電池材料分解產(chǎn)生的氣體積蓄到一定程度時(shí)，電池進(jìn)入泄氣階段。大量易燃?xì)怏w伴隨著殘余的電解液和顆粒物質(zhì)沖破電池殼體進(jìn)入電池周圍的空間。這些泄露到外部的物質(zhì)一旦遇到諸如電火花之類的火源，就會(huì)被迅速點(diǎn)燃，進(jìn)入猛烈燃燒的階段，在特定情況下這樣的燃燒甚至?xí)葑優(yōu)閯×业谋?，具有極高的危險(xiǎn)性。上述鋰離子電池的燃燒過(guò)程并不絕對(duì)，并非每一次火災(zāi)都要經(jīng)歷以上全部過(guò)程。當(dāng)電池體系(電極材料、電解質(zhì)成分以及工藝等)出現(xiàn)變化的時(shí)候，燃燒方式和燃燒過(guò)程也會(huì)因此改變。但火災(zāi)發(fā)生的整體趨勢(shì)是基本確定的，故針對(duì)鋰離子電池燃燒發(fā)生過(guò)程中的各個(gè)階段進(jìn)行分析研究，將有利于人們掌握其熱失控前后的變化規(guī)律，為電池專用智能消防體系的搭建提供理論依據(jù)，提高消防效率。
3 鋰離子電池消防研究及策略
鋰離子電池的熱失控及消防研究有較大的難度，為了開(kāi)展相關(guān)研究，人為通過(guò)觸發(fā)電池使之進(jìn)入熱失控狀態(tài)并收集其在整個(gè)過(guò)程中的數(shù)據(jù)是十分有必要的。然而，鋰離子電池的燃燒十分危險(xiǎn)，特別是燃燒時(shí)呈現(xiàn)多次流射火，并伴隨爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，這使得研究人員進(jìn)行試驗(yàn)以及采集數(shù)據(jù)方面會(huì)有較大的困難。同時(shí)，不同于傳統(tǒng)消防安全問(wèn)題，鋰離子電池火災(zāi)在進(jìn)入燃燒階段前存在一個(gè)較長(zhǎng)的演變過(guò)程，如果可以通過(guò)技術(shù)手段捕捉相關(guān)信號(hào)，將有助于消防系統(tǒng)在更早的階段介入，阻止情況進(jìn)一步惡化，所以對(duì)電池?zé)崾Э厍昂鬆顟B(tài)的研究在儲(chǔ)能安全方面能起到?jīng)Q定性的作用。因此，傳統(tǒng)消防中以消為主的防控思路在鋰離子電池消防中并不適用，目前在儲(chǔ)能電站中使用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依舊是以傳統(tǒng)消防思路安置的煙感、溫感探頭，對(duì)火情的檢測(cè)具有嚴(yán)重的滯后性，往往要等到電池已經(jīng)進(jìn)入熱失控階段并大量產(chǎn)熱時(shí)才能開(kāi)始干預(yù)。此外，目前消防中常用的滅火方式在應(yīng)對(duì)鋰離子電池火災(zāi)時(shí)并不理想。如何在鋰離子電池起火后高效地?fù)錅缑骰?、快速降溫也是鋰電?chǔ)能安全領(lǐng)域必須要攻克的難題。因而在研究中，除了需要記錄電池非正常工作狀態(tài)下的信號(hào)變化，對(duì)滅火劑的研發(fā)和滅火技術(shù)的改進(jìn)同樣是不可忽視的方向。
3.1 電池燃燒箱體設(shè)計(jì)
在鋰離子電池?zé)崾Э丶叭紵难芯恐校藗兺ǔ?huì)引入特制箱體作為實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的載具，該設(shè)計(jì)不僅可以阻止電池燃燒時(shí)產(chǎn)生的火焰以及爆炸對(duì)周圍環(huán)境和人員造成威脅，而且在一定程度上可模擬電池實(shí)際工況，提高數(shù)據(jù)的可靠性。通常箱體設(shè)計(jì)有兩個(gè)模式，一種是封閉式，如圖1所示，封閉式箱體設(shè)計(jì)對(duì)附近的研究人員具有更高的保護(hù)能力，同時(shí)由于燃燒產(chǎn)生的物質(zhì)和熱量難以擴(kuò)散到外界環(huán)境，研究電池?zé)崾Э氐漠a(chǎn)氣、產(chǎn)熱等行為具有更高的可靠性；另一種模式是開(kāi)放式，如圖2所示，為了避免電池爆炸產(chǎn)生的碎屑等內(nèi)容物濺射對(duì)研究人員造成傷害，需安裝防護(hù)網(wǎng)等進(jìn)行遮擋。盡管開(kāi)放式箱體在設(shè)計(jì)上具有相對(duì)較高的自由度，但需要具備搭載研究中必要的元件，如引燃設(shè)備、各類數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備等。
圖1 封閉式鋰離子電池測(cè)試防爆箱示意圖
圖2 開(kāi)放式鋰離子電池燃燒箱示意圖
雖然封閉式的箱體設(shè)計(jì)可以使測(cè)試收集的參數(shù)更為準(zhǔn)確，且對(duì)設(shè)備放置的場(chǎng)地要求較低，但由于燃燒時(shí)在箱體內(nèi)容易積攢大量的可燃?xì)怏w，一旦這些氣體在爆炸極限的范圍內(nèi)被引燃，產(chǎn)生的爆炸威力十分驚人，容易引發(fā)危險(xiǎn)事故。所以這種封閉式的箱體設(shè)計(jì)通常用于較小容量的電池?zé)崾Э?、燃燒及消防測(cè)試。由于箱體需要承受較大的沖擊力，因此箱體設(shè)計(jì)應(yīng)考慮其是否具有足夠的耐壓性。Larsson等采用封閉式箱體對(duì)鋰離子電池加熱中的氣體爆炸及熱失控情況進(jìn)行了研究，利用該設(shè)備他們得到了不同老化程度的電池在受熱條件下的氣體產(chǎn)生和爆炸情況，該設(shè)備具有承受爆炸的能力，且搭載了相應(yīng)的溫度及氣體傳感器。
開(kāi)放型箱體設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)氣體與外界環(huán)境的自由交換，爆炸對(duì)箱體的沖擊較小，對(duì)箱體的抗沖擊能力要求較低，故這類箱體適用于較大容量的鋰離子電池的熱失控、燃燒及消防測(cè)試，且制造成本相對(duì)較低。然而，由于箱體的開(kāi)放式設(shè)計(jì)存在內(nèi)外氣體對(duì)流，被測(cè)電池的溫度容易受外界影響，且燃燒產(chǎn)生的氣體也更容易逃逸到外界。這些情況導(dǎo)致在數(shù)據(jù)監(jiān)控方面的可靠性較低。同時(shí)，開(kāi)放式的箱體無(wú)法將火焰以及有害氣體局限于箱體內(nèi)部，對(duì)于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所的要求較高，一般要求在空曠的室外場(chǎng)所或者專門(mén)配備了煙火消除裝置的大型室內(nèi)消防基地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。Luo等采用開(kāi)放式箱體設(shè)計(jì)進(jìn)行了鋰離子電池燃燒的消防試驗(yàn)，箱體為簡(jiǎn)易的鐵皮焊制，可以防止電池可能出現(xiàn)的爆炸對(duì)實(shí)驗(yàn)人員造成危害，但內(nèi)外部氣體的自由交換不會(huì)受到影響。他們?cè)陂_(kāi)放式箱體中引燃了容量高達(dá)80安時(shí)的電池，并驗(yàn)證了不同滅火劑對(duì)于鋰離子電池燃燒的撲滅能力。
為了結(jié)合上述兩種箱體設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)研究人員將常規(guī)的測(cè)試箱體設(shè)計(jì)為艙體，大幅度增加了測(cè)試箱內(nèi)部腔體的空間，如圖3所示，將一個(gè)艙體作為電池的燃燒空間，并具備收集艙內(nèi)氣體的能力，同時(shí)艙門(mén)通常會(huì)做可視化設(shè)計(jì)，便于研究人員觀察艙體內(nèi)部電池的燃燒情況。這種艙體具有較大的內(nèi)部空間，可以大幅削弱鋰離子電池爆炸對(duì)艙壁面的沖擊，在大容量電池的測(cè)試中同樣適用。由于艙體內(nèi)部和外界空間相對(duì)隔絕，不存在內(nèi)外部氣體對(duì)流的情況，收集到的電池?zé)崾Э丶跋罃?shù)據(jù)也更為準(zhǔn)確。Liu等采用了這種艙式箱研究了243 Ah磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э剡^(guò)程中的產(chǎn)氣行為，對(duì)大型鋰離子電池有害氣體的產(chǎn)生以及熱失控過(guò)程的階段進(jìn)行了分析。然而，由于此套設(shè)備內(nèi)部空間大，對(duì)于一些微量物質(zhì)的監(jiān)測(cè)精度較低。另外，艙體設(shè)計(jì)的設(shè)備成本較高，體積大不便于移動(dòng)，通常要求放置于空曠的廠房?jī)?nèi)使用，而且箱體搭建和維護(hù)的成本也會(huì)高于前兩種常規(guī)的箱體設(shè)計(jì)。如何根據(jù)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)需求選取最為合適的箱體設(shè)計(jì)是開(kāi)展相關(guān)研究工作需要首先考慮的問(wèn)題。除此之外，直接采用實(shí)際運(yùn)用中的完整電池包作為測(cè)試對(duì)象同樣是可行的方案，但由于其高昂的成本和更高的危險(xiǎn)性，一般選擇在研究成果后期的驗(yàn)證階段采用此種模式。
圖3 鋰離子電池燃爆實(shí)驗(yàn)艙
3.2 熱失控觸發(fā)方式
鋰離子電池事故頻發(fā)并非是在使用中的必然失效導(dǎo)致的，一般而言，鋰離子電池較為穩(wěn)定，由于電池自誘導(dǎo)引起失效的概率很低，往往會(huì)因?yàn)闊釣E用、電氣濫用和機(jī)械濫用等原因而誘發(fā)熱失控。在熱失控的實(shí)驗(yàn)中，為了使得鋰離子電池按照實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)的情況進(jìn)入熱失控階段，研究人員需要人為觸發(fā)電池的熱失控。觸發(fā)過(guò)程存在潛在的危險(xiǎn)，需要依靠自動(dòng)化裝置來(lái)完成。在燃燒實(shí)驗(yàn)中，一般采用熱濫用和電氣濫用兩種方式，可控地觸發(fā)熱失控從而引起電池燃燒。
通過(guò)安置加熱塊對(duì)鋰離子電池進(jìn)行加熱是最為常見(jiàn)的熱濫用方式，可以人為控制鋰離子電池?zé)崾Э爻跗诘臏囟茸兓厔?shì)和溫升速率，有效地對(duì)熱量累積階段的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)的變化進(jìn)行觀測(cè)，為智能消防系統(tǒng)中熱失控前期的變化模型提供數(shù)據(jù)支撐。Zhang等采用加熱方式誘導(dǎo)4 Ah的圓柱形電池進(jìn)入熱失控。他們將一個(gè)與電池形狀相同的加熱塊與被測(cè)電池并排放置，如圖4所示，通過(guò)300 W的加熱塊將熱量傳遞給緊密接觸的被測(cè)電池。在加熱模塊中還加入了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，當(dāng)電池進(jìn)入泄氣階段時(shí)即移開(kāi)加熱塊，防止加熱塊的熱量對(duì)電池產(chǎn)熱情況造成干擾，影響數(shù)據(jù)的可靠性。Mao等同樣采用加熱塊誘發(fā)300 Ah的鋰離子電池的熱失控，從而對(duì)燃燒行為進(jìn)行研究。研究中采用的是帶殼體的方形電池，需要用夾板將電池與加熱板緊密貼合，如圖5所示。但為了保證加熱板與電池的緊密貼合，在該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中采用了夾具將加熱板、電池等部件固定，導(dǎo)致電池在出現(xiàn)電池泄氣行為后加熱板不便于移開(kāi)，所以采用對(duì)加熱板斷電的方式減少額外熱量對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э睾罄m(xù)行為的干擾。
圖4 被測(cè)電池與加熱塊的位置示意圖
圖5 方形電池與加熱板示意圖
研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)加熱觸發(fā)電池進(jìn)入泄氣狀態(tài)而不外加明火的情況下，部分電池并不會(huì)進(jìn)入自燃狀態(tài)。為了有效地引發(fā)電池燃燒，需要采用點(diǎn)火設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)燃。如果采用的試驗(yàn)箱體為開(kāi)放式或者大型艙體結(jié)構(gòu)，點(diǎn)燃時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小，而在封閉式箱體中對(duì)已經(jīng)發(fā)生泄氣的電池進(jìn)行點(diǎn)火則十分危險(xiǎn)。若濃度恰好處于爆炸極限的范圍內(nèi)，則引起爆炸，對(duì)箱體會(huì)造成巨大的沖擊。一旦爆炸沖擊力超出箱體的承受范圍，則會(huì)嚴(yán)重破壞箱體甚至對(duì)研究人員造成傷害。如果需要以加熱的方式使電池進(jìn)入泄氣階段并通過(guò)點(diǎn)火引起電池燃燒，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要尤為注意可能存在的爆炸風(fēng)險(xiǎn)，以避免出現(xiàn)安全事故。
除加熱之外，通過(guò)外焰直接對(duì)電池進(jìn)行點(diǎn)火也是電池燃燒試驗(yàn)中經(jīng)常使用的引燃方式。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于電池一旦出現(xiàn)泄氣行為會(huì)即刻被點(diǎn)燃，避免了出現(xiàn)爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，且更有效地使電池進(jìn)入燃燒的狀態(tài)。但由于火焰的內(nèi)外焰溫度并不完全一致，且灼燒面無(wú)法覆蓋整塊電池，導(dǎo)致電池受熱并不均勻，對(duì)熱失控的初期升溫階段可能會(huì)造成干擾。因此這種點(diǎn)燃觸發(fā)熱失控的方法更適合用于需要電池進(jìn)入燃燒狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)，如關(guān)于消防策略、滅火劑等方向的研究。Li等在研究18650鈷酸鋰電池串并聯(lián)電池組燃燒及滅火特性的實(shí)驗(yàn)中采用了明火引燃電池的方法。他們將一個(gè)裝有正庚烷的燃燒盆子置于電池架的底部(見(jiàn)圖6)，隨后點(diǎn)燃燃燒盤(pán)，讓盤(pán)中的火焰灼燒置于電池架上的鋰離子電池直至電池進(jìn)入熱失控狀態(tài)。但由于燃燒盤(pán)的火焰無(wú)法控制自行熄滅，當(dāng)鋰離子電池進(jìn)入燃燒狀態(tài)后，盤(pán)內(nèi)的火焰依然存在，對(duì)實(shí)驗(yàn)的可靠性造成了一定程度的影響。為了避免外焰對(duì)后續(xù)電池的燃燒行為造成影響，可以從以下兩種思路進(jìn)行改進(jìn)：①通過(guò)使用本生燈之類的設(shè)備，當(dāng)電池進(jìn)入燃燒狀態(tài)后手動(dòng)關(guān)閉燃料的輸送，使點(diǎn)火設(shè)備停止工作；②搭建機(jī)械控制裝置，在電池進(jìn)入燃燒狀態(tài)后自動(dòng)將外焰設(shè)備從電池附近移開(kāi)。
圖6 外焰引燃鋰離子電池裝置示意圖
除了上述幾種較為常見(jiàn)的熱濫用誘發(fā)電池?zé)崾Э氐姆绞揭酝猓ㄡ槾?、碰撞、過(guò)充過(guò)放等熱濫用方式同樣可以被應(yīng)用于電池?zé)崾Э貦C(jī)理及消防研究的工作中。但相較于加熱和外焰引燃這兩種常見(jiàn)的熱濫用觸發(fā)方式，這些熱濫用誘發(fā)方式更多應(yīng)用在針對(duì)電池本身安全性測(cè)試方面，或是針對(duì)特定熱失控形式的研究中。Li等針對(duì)不同體系電池在過(guò)充條件下的熱失控行為而開(kāi)展的研究中就將過(guò)充過(guò)放作為熱濫用方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并針對(duì)其熱失控行為的差異進(jìn)行了分析。因?yàn)榇祟悷釣E用觸發(fā)的偶然性較大，對(duì)電池的物理破壞更猛烈，不便于應(yīng)用在熱失控過(guò)程中的機(jī)理性研究。特別是在電池火災(zāi)消防這一領(lǐng)域的研究中，針刺碰撞、過(guò)充過(guò)放等熱濫用方式裝置復(fù)雜，且未必會(huì)有效觸發(fā)鋰離子電池的燃燒，不利于實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。
因此，在進(jìn)行鋰離子電池?zé)崾Э叵嚓P(guān)方面研究時(shí)，需要根據(jù)自身實(shí)驗(yàn)需求，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮笥嗅槍?duì)性地選擇所需的熱失控觸發(fā)方式。
3.3 溫度監(jiān)測(cè)
溫度變化是鋰離子電池?zé)崾Э匮芯恐幸豁?xiàng)重要的指標(biāo)，不同的溫度直接與電池的熱失控階段對(duì)應(yīng)。通過(guò)研究鋰離子電池在整個(gè)熱失控階段的溫度，可以更有效地理解鋰離子電池?zé)崾Э氐倪M(jìn)程。建立鋰離子電池?zé)崾Э卣麄€(gè)過(guò)程中溫度變化模型，開(kāi)發(fā)新型鋰離子電池溫度檢測(cè)技術(shù)是構(gòu)建儲(chǔ)能安全智能消防研究中具有舉足輕重地位的一個(gè)環(huán)節(jié)。關(guān)于鋰離子電池溫度的檢測(cè)手段很多，目前在熱失控的研究中最常見(jiàn)的是采用溫度傳感器和紅外測(cè)溫儀。前者成本較低，方便易行；后者雖然成本較高，但檢測(cè)范圍更廣，并且可以監(jiān)測(cè)到高溫氣體的泄露情況，具有無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)。
在鋰離子電池的溫度監(jiān)測(cè)中，除了最常使用的熱電偶測(cè)溫外，光纖傳感測(cè)溫同樣適用。Nascimento等對(duì)不同工況下的光纖傳感測(cè)溫的效果開(kāi)展了研究工作，證明了光纖傳感器對(duì)鋰離子電池的表面測(cè)溫具有良好的精度。但目前這種測(cè)溫方式更多應(yīng)用于鋰離子電池服役狀態(tài)下的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)中，在熱失控及燃燒實(shí)驗(yàn)的溫度監(jiān)測(cè)中很少用到。主要原因在于熱失控中出現(xiàn)的過(guò)高溫度以及可能出現(xiàn)的燃燒會(huì)對(duì)用于測(cè)溫的傳感器造成不可逆的破壞，使用光纖傳感測(cè)溫成本較高且比較容易被損壞，所以盡管其對(duì)溫度變化相較于熱電偶測(cè)溫更為敏感，響應(yīng)更為迅速，但是在實(shí)際的電池?zé)崾Э匮芯恐腥藗兏鼉A向于使用熱電偶作為溫度傳感器使用。
熱電偶測(cè)溫范圍廣、成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于安裝，并且具有很強(qiáng)的魯棒性，非常適合用于鋰離子電池的熱失控的溫度監(jiān)測(cè)，其靈敏度和響應(yīng)速度也能夠滿足在相關(guān)研究工作中的需求。在實(shí)際使用中需要根據(jù)鋰離子電池從熱失控到進(jìn)入燃燒狀態(tài)的溫度區(qū)間對(duì)熱電偶進(jìn)行選型。常規(guī)實(shí)驗(yàn)中K型熱電偶能夠滿足實(shí)驗(yàn)需求并且是具有較高性價(jià)比的一種熱電偶。
Xu等采用熱電偶對(duì)鋰離子電池火災(zāi)及消防過(guò)程中的溫度變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，如圖7所示，他們一共安置了7枚熱電偶以便更全面可靠地檢測(cè)到電池表面溫度以及火焰溫度。從圖7中可以看到在電池的正表面沿對(duì)角線安置了3枚熱電偶，可以較全面地檢測(cè)正表面溫度。側(cè)面和頂部的熱電偶可以用于檢測(cè)電池的側(cè)面溫度和負(fù)極片附近的溫度。2枚置于泄壓閥上方的熱電偶可以監(jiān)測(cè)鋰離子電池燃燒過(guò)程中的火焰溫度和熱煙溫度。不過(guò)這種熱電偶的安置方式比較適合較大容量的方形電池，具體的熱電偶如何放置要根據(jù)電池的形狀和容量進(jìn)行選擇。在方形電池的溫度檢測(cè)中，如果是容量較小的小型電池，側(cè)面和頂部的空間較小，不適合安置熱電偶，可將熱電偶安裝在正面。通常還是保持對(duì)角線的三枚熱電偶安置，并在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中采用其平均值作為鋰離子電池的表面溫度進(jìn)行研究。
圖7 電池表面及上面熱電偶位置示意圖
雖然熱電偶測(cè)溫有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也有其局限性，特別是測(cè)定點(diǎn)位過(guò)于固定，在熱失控和燃燒過(guò)程中熱電偶可能會(huì)發(fā)生脫落。所以在很多實(shí)驗(yàn)中研究人員還會(huì)引入紅外測(cè)溫儀對(duì)電池?zé)崾Э氐饺紵^(guò)程的溫度變化進(jìn)行檢測(cè)。紅外測(cè)溫儀可以通過(guò)收集被測(cè)物體的紅外輻射能量來(lái)對(duì)被測(cè)物體的溫度進(jìn)行計(jì)算，并將溫度分布的熱像圖以圖譜的形式進(jìn)行呈現(xiàn)。紅外測(cè)溫儀具有非接觸式遠(yuǎn)程測(cè)量，響應(yīng)速度快，可測(cè)溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，十分適合在鋰離子電池?zé)崾Э氐难芯恐羞M(jìn)行使用。Liu等采用紅外測(cè)溫設(shè)備對(duì)鋰離子電池火災(zāi)及不同類型滅火劑的消防過(guò)程中的溫度變化進(jìn)行了測(cè)量。相較于熱電偶只能測(cè)量分散的點(diǎn)的溫度，紅外測(cè)溫儀可以得到可視化的溫度分布圖譜，更為準(zhǔn)確地記錄鋰離子電池在熱失控過(guò)程中電池各個(gè)部位的溫度分布及變化趨勢(shì)。但受限于成本以及箱體對(duì)紅外測(cè)溫設(shè)備的干擾，紅外測(cè)溫儀在電池監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用還具有局限性，如何更好地將紅外測(cè)溫儀并入到測(cè)試設(shè)備中將是研究人員在實(shí)驗(yàn)和設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問(wèn)題。
另一方面，目前針對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э販囟茸兓矫娴难芯抗ぷ髦饕性诓杉姵乇砻娴臏囟?。?shí)際上，電池表面溫度與內(nèi)部溫度的差距極大，而電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞情況也是取決于鋰離子電池內(nèi)部溫度。對(duì)鋰離子電池內(nèi)部溫度的監(jiān)測(cè)可以通過(guò)埋入式熱傳感器、阻抗法等方式來(lái)進(jìn)行測(cè)量，但目前這兩種方法受限于成本及可操作性。埋入式的主要難點(diǎn)在于需要在電池生產(chǎn)時(shí)就將傳感器并入，而熱失控機(jī)理及消防研究通常使用商用的大容量電池，傳感器的埋入困難。阻抗測(cè)溫法對(duì)電池的類型有要求，目前還主要存在于理論研究階段，在熱失控研究中應(yīng)用的條件還不成熟。尋找可以標(biāo)定電池內(nèi)部溫度的方法同樣是該領(lǐng)域需要思考和解決的問(wèn)題之一。
3.4 電壓監(jiān)測(cè)
單獨(dú)依靠溫度變化搭建的鋰離子電池?zé)崾Э仡A(yù)警模型存在一定缺陷，為了增加其可靠性，研究人員在構(gòu)建智能消防時(shí)還會(huì)引入鋰離子電池電壓變化作為依據(jù)。通過(guò)檢測(cè)鋰離子電池在非正常工況下工作電壓的波動(dòng)情況，建立相應(yīng)模型，同樣可以為智能消防的預(yù)警功能提供評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，且電壓數(shù)據(jù)相較于溫度數(shù)據(jù)而言更容易采集。在實(shí)驗(yàn)中，通常可以選擇用兩根做過(guò)耐燒處理的導(dǎo)線連接被測(cè)電池，然后與電壓監(jiān)測(cè)設(shè)備連接，可以防止監(jiān)測(cè)設(shè)備離電池太近而被電池火焰破壞。當(dāng)電池進(jìn)入熱失控狀態(tài)，電池內(nèi)部被破壞后，電壓會(huì)出現(xiàn)一個(gè)斷崖式下降，對(duì)于標(biāo)記鋰離子電池的熱失控狀態(tài)具有重要意義。Mao等的研究顯示，當(dāng)鋰離子電池進(jìn)入燃燒階段之后，電壓便會(huì)急劇下降。但在他們的另一項(xiàng)研究中則顯示電池?zé)崾Э剡^(guò)程起火時(shí)間點(diǎn)和電壓斷崖式下跌的時(shí)間點(diǎn)并不吻合，他們認(rèn)為電池流射火存在一個(gè)潛伏期，在此之前的溶劑著火并不代表電池已經(jīng)進(jìn)入了最危險(xiǎn)的燃燒階段。
目前通常認(rèn)為造成電壓的突降的原因是鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)在高溫下遭到破壞，通過(guò)分析電壓的變化情況判斷鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化情況或許是一個(gè)可行的研究途徑。
3.5 氣體監(jiān)測(cè)
氣體監(jiān)測(cè)是鋰離子電池?zé)崾Э匮芯恐凶钪匾谋O(jiān)測(cè)對(duì)象之一。無(wú)論是鋰離子電池在熱失控早期還是在燃燒、爆炸的階段，都具有非常重要的意義。區(qū)別于傳統(tǒng)消防中監(jiān)測(cè)到煙氣時(shí)往往意味著燃燒已經(jīng)發(fā)生，鋰離子電池?zé)崾Э卦缙诰涂梢员O(jiān)測(cè)到部分氣體，通過(guò)收集氣體信息可以大大提前介入的時(shí)間點(diǎn)，避免情況惡化。為了監(jiān)測(cè)氣體的生成情況，并建立相應(yīng)的模型，研究人員在箱體中安裝氣體檢測(cè)元件。但由于鋰離子電池?zé)崾Э貙?duì)環(huán)境的影響及破壞極大，所以一般在設(shè)計(jì)氣體檢測(cè)功能的時(shí)候并不會(huì)直接將檢測(cè)單元置入實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)。通常會(huì)采用排風(fēng)系統(tǒng)收集箱內(nèi)氣體，待冷卻后再輸送到檢測(cè)設(shè)備處進(jìn)行分析。
常用的氣體傳感器一般有以下幾種類型。①半導(dǎo)體式傳感器：通常以氧化物半導(dǎo)體作為活性材料，使氣體吸附于該半導(dǎo)體材料表面，利用電導(dǎo)率的變化進(jìn)行氣體分辨。這種方法成本低廉，環(huán)境適應(yīng)性好，在檢測(cè)爆炸性氣體、可燃性氣體等方面已經(jīng)得到了廣泛的運(yùn)用；②紅外式吸收傳感器：利用不同結(jié)構(gòu)的氣體分子吸收特定波長(zhǎng)的紅外光對(duì)氣體成分進(jìn)行分析，精確度和靈敏度較高，但成本高昂、裝置復(fù)雜，測(cè)試流程也相對(duì)繁瑣；③接觸燃燒式氣體傳感器：分為催化式和直燃式，利用氣體在傳感器內(nèi)燃燒導(dǎo)致測(cè)量電阻的阻值發(fā)生變化來(lái)鑒定氣體。但是這類傳感器無(wú)法監(jiān)測(cè)不可燃?xì)怏w，同時(shí)檢測(cè)限比較高，不適合用來(lái)測(cè)定濃度低的氣體；④電化學(xué)傳感器：通過(guò)電化學(xué)手段對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)不同電化學(xué)模型可以分為原電池式、可控電位電解式、電量式、離子電極式四種類型。電化學(xué)傳感器可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)檢測(cè)且靈敏度高，但是需要定期補(bǔ)充電解液。研究人員可根據(jù)自身實(shí)驗(yàn)需求選擇合適的氣體傳感器，目前在燃燒實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)通常選擇半導(dǎo)體式傳感器。
Zhang等對(duì)鋰離子電池在加熱過(guò)程中產(chǎn)生的氣體進(jìn)行收集，將其冷卻后通入氣體分析儀中分析了氣體成分。他們重點(diǎn)研究了CxHy、CO2、CO的產(chǎn)生情況，并基于此提出低外熱功率條件下電池發(fā)生熱失控后的毒害性更大的結(jié)論。Wang等的研究著重于鋰離子電池?zé)崾Э卦缙诘漠a(chǎn)氣情況。由于該階段的產(chǎn)氣量小，目標(biāo)氣體濃度低，對(duì)于氣體監(jiān)測(cè)的要求更高。他們沒(méi)有直接在箱體中設(shè)計(jì)氣體檢測(cè)裝置，而是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中定期將氣體用采氣袋進(jìn)行收集并送檢。
在箱體中配置氣體傳感器可以得到實(shí)時(shí)的氣體變化情況，操作簡(jiǎn)單快捷。但是這種實(shí)時(shí)測(cè)試精度不高，對(duì)于那些濃度較低的氣體無(wú)法得到可靠的數(shù)據(jù)。使用采氣袋進(jìn)行氣體收集和檢測(cè)可以有效地提高測(cè)試的精度和檢測(cè)范圍，但是操作復(fù)雜，只能得到特定時(shí)間點(diǎn)的產(chǎn)氣數(shù)據(jù)。兩種設(shè)計(jì)方式均有優(yōu)劣，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)人員的實(shí)際需求進(jìn)行選擇。
3.6 滅火系統(tǒng)
滅火系統(tǒng)作為鋰離子電池智能消防體系中的最后一道防線必不可少，關(guān)于這一方向的研究主要集中在噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及特效滅火劑的研發(fā)兩方面。為了能夠驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的滅火系統(tǒng)是否有效，便要求研究人員在測(cè)試平臺(tái)中搭載滅火系統(tǒng)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。除了測(cè)試滅火方案是否可行以外，常規(guī)熱失控實(shí)驗(yàn)中為安全保障也會(huì)搭載滅火系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)了意外情況可以及時(shí)干預(yù)，避免造成人員財(cái)產(chǎn)損失。
由于鋰離子電池火災(zāi)的特殊性，目前還沒(méi)有確定的滅火劑類型，在設(shè)計(jì)配套的滅火裝置時(shí)應(yīng)該要結(jié)合實(shí)驗(yàn)中用到的滅火劑種類來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。盡管沒(méi)有要求指出滅火裝置必須要設(shè)計(jì)在箱體內(nèi)，使用手持式滅火器進(jìn)行滅火也有一定可行性，但出于安全考慮還是建議設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)完成滅火劑的噴淋工作。
研究人員通常將噴頭設(shè)計(jì)在電池正上方0.7～1 m的位置。該條件下可以較好地實(shí)現(xiàn)滅火劑對(duì)燃燒狀態(tài)中鋰離子電池的噴灑效果，并盡可能地減少對(duì)鋰離子電池燃燒的影響。但事實(shí)上由于缺乏對(duì)鋰離子電池火災(zāi)的消防測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，目前研究工作中采用的噴淋角度和噴淋高度依然取決于研究人員的經(jīng)驗(yàn)。除了將噴淋出口設(shè)置在鋰離子電池上方以外的位置，有時(shí)也會(huì)將噴淋位置設(shè)置在電池的側(cè)面等部位以模擬實(shí)際滅火中可能出現(xiàn)的情況。Liu等對(duì)不同滅火劑針對(duì)38 Ah單體動(dòng)力電池燃燒的滅火情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在該容量下各類滅火劑[ABC干粉、七氟丙烷(HFC)、水、全氟己酮和CO2滅火劑]均能有效撲滅明火，但CO2滅火劑撲滅電池后出現(xiàn)了復(fù)燃情況；同時(shí)他們對(duì)各類滅火劑的降溫效果也進(jìn)行了研究，其降溫能力依次為：水、全氟己酮、HFC、ABC干粉和CO2。值得注意，隨著電池容量的增加，撲滅電池火災(zāi)的難度會(huì)大幅提高，在電動(dòng)車輛及大規(guī)模儲(chǔ)能中電池火災(zāi)防治問(wèn)題上的結(jié)論還需要進(jìn)一步開(kāi)展研究。
此外，在研究滅火劑效果的實(shí)驗(yàn)中需要注意，不論采取何種設(shè)置方法，在同一個(gè)研究工作中必須保證包括噴淋位置、噴淋流量、噴射壓力等各項(xiàng)條件的一致性，這對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性至關(guān)重要。
4 結(jié)論與展望
隨著新能源汽車和規(guī)模儲(chǔ)能市場(chǎng)日益擴(kuò)大，人們對(duì)于鋰離子電池需求不斷增長(zhǎng)，其安全問(wèn)題也已經(jīng)受到了廣泛的關(guān)注。為了提高鋰離子電池的安全性，必須要對(duì)其熱失控的復(fù)雜機(jī)理有更為深刻的理解，因此有必要開(kāi)展大量的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。目前通常由研究人員根據(jù)自身?xiàng)l件和需求來(lái)搭建鋰離子電池?zé)崾Э氐娜紵溟_(kāi)展相關(guān)的研究。為了促進(jìn)本領(lǐng)域研究的發(fā)展，本文對(duì)前人研究工作中使用到的設(shè)備進(jìn)行了一個(gè)簡(jiǎn)單的總結(jié)，重點(diǎn)介紹了鋰離子電池?zé)崾Э丶跋榔脚_(tái)搭建中使用的設(shè)備搭建及設(shè)計(jì)，包括：測(cè)試箱體、熱失控觸發(fā)裝置、溫度檢測(cè)、電壓檢測(cè)、氣體檢測(cè)以及消防裝置。事實(shí)上目前針對(duì)這方向的研究依舊處于起始階段，沒(méi)有形成測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，各種測(cè)試條件和方式均由研究人員自行決定，這種情況并不利于該領(lǐng)域的發(fā)展以及從業(yè)人員的交流合作。尤其是鋰離子電池火災(zāi)消防這一領(lǐng)域，目前行業(yè)規(guī)范缺失嚴(yán)重，已有的消防標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法很好地兼容鋰離子電池火災(zāi)。如何構(gòu)建一個(gè)可行的鋰離子電池消防標(biāo)準(zhǔn)也是目前研究中面對(duì)的一個(gè)非常嚴(yán)峻的問(wèn)題。隨著該領(lǐng)域的研究得到越來(lái)越多的關(guān)注，高效的測(cè)試平臺(tái)和可靠的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)將成為鋰離子電池?zé)崾Э丶跋婪较蜓芯康囊粋€(gè)里程碑，這一難題也將在行業(yè)共同努力下得到進(jìn)一步的解決。
第一作者：丁奕（1996—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殇囯x子電池?zé)峁芾砼c智能消防，E-mail：412856249@qq.com；
通訊作者：曾濤，研究員，研究方向?yàn)殡娮硬牧吓c器件，E-mail：zhuhaozang@srim.com.cn；黃云輝，教授，研究方向?yàn)殇囯x子電池和新一代可充電電池的關(guān)鍵材料和技術(shù)，E-mail：huangyh@hust.edu.cn。
