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

1、隨著鋰離子電池的廣泛應用和我國航空業(yè)的高速發(fā)展，航空運輸鋰離子電池數(shù)量日趨增多。鋰離子電池作為第9類危險品，其本身存在易燃易爆風險，特殊的航空運輸環(huán)境（如高溫、擠壓和碰撞等）使其危險性更加暴露，而目前缺乏與之相對應的風險控制技術(shù)，從而導致航空運輸鋰離子電池火災或爆炸事故時有發(fā)生，帶來了極大的財產(chǎn)損失和人員傷亡，為確保鋰離子電池的安全運輸，需對誘發(fā)鋰離子電池的不安全因素進行分析，揭示其內(nèi)在影響機制，并采取針對性的措施來預防鋰離子電池火災事

2、故的發(fā)生。本文旨在降低鋰離子電池航空運輸風險，開展典型鋰離子電池和電解液燃燒特性及航空運輸環(huán)境對其影響機制研究，主要的研究內(nèi)容如下:
　　對不同輻射熱流下電解液池火的燃燒特性參量進行了實驗測試與理論分析，同時使用TG-FTIR對高溫環(huán)境下電解液的熱解機理進行了探究。與氫化物不同，電解液池火燃燒行為特征與含有的有機溶劑相對蒸發(fā)性有關，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致

3、其相對低的熱釋放速率（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，與油盤直徑成負相關，建立了耦合輻射熱流和油盤直徑的電解液HRR預測模型;修正Heskestad火焰高度預測模型，建立了耦合有效燃燒熱，油盤直徑和空氣與燃料當量比的電解液火焰高度預測模型;CO和CO2的釋放量與輻射熱流和油盤直徑均成正相關，而CO和CO2的摩爾濃度比與兩者無關;電解液

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

5、，其指數(shù)系數(shù)低于普通氫化物;通過擬合(m)"D和P2D3驗證了壓力模型對預測對流主導的電解液池火的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，修正無量綱HRR，擬合L/D和(m)"2/P∞2D，驗證了修正后的Heskestad火焰高度修正公式對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，修正特征長度，擬合ln(△T0/T∞)與ln((z-z0)(P/(Q))2/5），驗證了修改后的Heskest

6、ad火羽流溫升公式對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)兩個區(qū)域，不符合McMaffrey模型的三區(qū)域。
　　基于錐形量熱儀對不同荷電狀態(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)進行了研究，并揭示了SOC和輻射熱流對燃燒特性參數(shù)的內(nèi)在影響機制?；谘鹾姆ê唾|(zhì)量損失速率法得出的HRR曲線趨勢一致，對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％，同時錐形量熱儀和前人利用ARC測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，點燃和爆炸時間縮短，放氣溫度和熱失控開始溫度降低，CO和CO2增多;低于50％SOC，火災危險性明顯降低，HRR曲線只有一小峰值，發(fā)生微

8、弱的燃燒，表面溫度低，點燃時間長，CO和CO2少，同時SOC低于50％的鋰離子電池的閃燃危險性明顯低于高于50％，因此建議將運輸鋰離子電池的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，點燃和爆炸時間縮短，放氣溫度和熱失控開始溫度降低，火災危險性增大;擬合實驗數(shù)據(jù)，得出鋰離子電池的點燃時間預測公式和臨界點燃熱流。
　　對不同壓力下鋰離子電池燃燒特性參量進行了實驗測試和定量分析，并揭示了壓力對燃燒特性參量的