典型鋰離子電池和電解液燃燒特性及航空運(yùn)輸環(huán)境對(duì)其影響機(jī)制研究.pdf

1、隨著鋰離子電池的廣泛應(yīng)用和我國航空業(yè)的高速發(fā)展，航空運(yùn)輸鋰離子電池?cái)?shù)量日趨增多。鋰離子電池作為第9類危險(xiǎn)品，其本身存在易燃易爆風(fēng)險(xiǎn)，特殊的航空運(yùn)輸環(huán)境（如高溫、擠壓和碰撞等）使其危險(xiǎn)性更加暴露，而目前缺乏與之相對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)，從而導(dǎo)致航空運(yùn)輸鋰離子電池火災(zāi)或爆炸事故時(shí)有發(fā)生，帶來了極大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，為確保鋰離子電池的安全運(yùn)輸，需對(duì)誘發(fā)鋰離子電池的不安全因素進(jìn)行分析，揭示其內(nèi)在影響機(jī)制，并采取針對(duì)性的措施來預(yù)防鋰離子電池火災(zāi)事

2、故的發(fā)生。本文旨在降低鋰離子電池航空運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)，開展典型鋰離子電池和電解液燃燒特性及航空運(yùn)輸環(huán)境對(duì)其影響機(jī)制研究，主要的研究內(nèi)容如下:
　　對(duì)不同輻射熱流下電解液池火的燃燒特性參量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論分析，同時(shí)使用TG-FTIR對(duì)高溫環(huán)境下電解液的熱解機(jī)理進(jìn)行了探究。與氫化物不同，電解液池火燃燒行為特征與含有的有機(jī)溶劑相對(duì)蒸發(fā)性有關(guān)，線狀碳酸酯主控燃燒的早期階段，而環(huán)狀碳酸酯主控后期階段;與氫化物相比，電解液的高汽化熱和低燃燒熱導(dǎo)致

3、其相對(duì)低的熱釋放速率（Heat Release Rate，HRR）和質(zhì)量損失速率(Mass Loss Rate，MLR);單位面積的HRR與輻射熱流成正相關(guān)，與油盤直徑成負(fù)相關(guān)，建立了耦合輻射熱流和油盤直徑的電解液HRR預(yù)測(cè)模型;修正Heskestad火焰高度預(yù)測(cè)模型，建立了耦合有效燃燒熱，油盤直徑和空氣與燃料當(dāng)量比的電解液火焰高度預(yù)測(cè)模型;CO和CO2的釋放量與輻射熱流和油盤直徑均成正相關(guān)，而CO和CO2的摩爾濃度比與兩者無關(guān);電解液

4、熱解主要分兩步，第一步主要是有機(jī)溶劑的蒸發(fā)和LiPF6的水解反應(yīng)，第二步主要是LiPF6熱分解（在190℃左右）產(chǎn)生強(qiáng)路易斯酸PF5和HF，PF5催化EC發(fā)生開環(huán)聚合反應(yīng)，同時(shí)PF5也與EMC和DMC發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生CO2、C2H5F和毒性HF等氣體。
　　對(duì)不同壓力下電解液池火的火羽流特征參量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論分析，同時(shí)驗(yàn)證了壓力修正后的火羽流理論模型對(duì)電解液池火的適用性。MLR與壓力呈正指數(shù)關(guān)系，但由于電解液中有機(jī)溶劑的碳含量少

5、，其指數(shù)系數(shù)低于普通氫化物;通過擬合(m)"D和P2D3驗(yàn)證了壓力模型對(duì)預(yù)測(cè)對(duì)流主導(dǎo)的電解液池火的MLR是適用的;平均火焰高度隨壓力的降低而升高，通過引入壓力項(xiàng)，修正無量綱HRR，擬合L/D和(m)"2/P∞2D，驗(yàn)證了修正后的Heskestad火焰高度修正公式對(duì)電解液池火是適用的;火羽流溫度隨壓力的降低而升高，通過引入壓力項(xiàng)，修正特征長度，擬合ln(△T0/T∞)與ln((z-z0)(P/(Q))2/5），驗(yàn)證了修改后的Heskest

6、ad火羽流溫升公式對(duì)電解液池火是適用的;擬合火羽流溫升與壓力修正后的特征長度，發(fā)現(xiàn)電解液池火火羽流分為持續(xù)火焰區(qū)和浮力羽流區(qū)兩個(gè)區(qū)域，不符合McMaffrey模型的三區(qū)域。
　　基于錐形量熱儀對(duì)不同荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)和輻射熱流下的18650型鋰離子電池燃燒特性參數(shù)進(jìn)行了研究，并揭示了SOC和輻射熱流對(duì)燃燒特性參數(shù)的內(nèi)在影響機(jī)制?；谘鹾姆ê唾|(zhì)量損失速率法得出的HRR曲線趨勢(shì)一致，對(duì)比兩曲線得出消耗鋰

7、離子電池內(nèi)部材料分解釋放的氧氣所釋放的能量和內(nèi)部短路所釋放的焦耳熱占總能量的比例小于13％，同時(shí)錐形量熱儀和前人利用ARC測(cè)得的鋰電池表面溫度數(shù)據(jù)基本一致也證明了錐形量熱儀能夠用于測(cè)試鋰離子電池的燃燒特性;高于50％SOC，HRR曲線均有前小后大的兩峰值，且隨SOC的增加，HRR峰值和表面最高溫度增加，點(diǎn)燃和爆炸時(shí)間縮短，放氣溫度和熱失控開始溫度降低，CO和CO2增多;低于50％SOC，火災(zāi)危險(xiǎn)性明顯降低，HRR曲線只有一小峰值，發(fā)生微

8、弱的燃燒，表面溫度低，點(diǎn)燃時(shí)間長，CO和CO2少，同時(shí)SOC低于50％的鋰離子電池的閃燃危險(xiǎn)性明顯低于高于50％，因此建議將運(yùn)輸鋰離子電池的SOC控制在50％以下;隨輻射熱流的增大，HRR峰值和表面最高溫升升高，點(diǎn)燃和爆炸時(shí)間縮短，放氣溫度和熱失控開始溫度降低，火災(zāi)危險(xiǎn)性增大;擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出鋰離子電池的點(diǎn)燃時(shí)間預(yù)測(cè)公式和臨界點(diǎn)燃熱流。
　　對(duì)不同壓力下鋰離子電池燃燒特性參量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和定量分析，并揭示了壓力對(duì)燃燒特性參量的