锂电池燃烧热释放速率实验研究.doc
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1、锂电池燃烧热释放速率实验研究#陈明毅,周德闯,丁超,张雯霞,陈钦佩,汪箭*(中国科学技术大学火灾国家重点实验室,合肥 230026)510152025303540摘要:锂电池在电子产品中的应用越来越广泛,比如手机、笔记本电脑等。随着锂电池的发展,越来越多的锂电池安全问题引起了人们的关注,这些问题主要是由于锂电池热失控引发的火灾和爆炸。本文通过实验测量锂电池燃烧时的热释放速率来分析锂电池的燃烧特性,为锂电池的运输、存储管理提供科学依据。关键词:锂电池;安全;火灾;爆炸中图分类号:X932Experimental study on heat release rate of lithium batt
2、eryfireChen Mingyi, Zhou Dechuang, Ding Chao, Zhang Wenxia, Chen Qinpei, Wang Jian(State Key laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China,HeFei 230026)Abstract: Lithium batteries are in widespread use in consumer electronics, such as cell phones,laptop computers, and oth
3、er portable electronic devices. However, with the extensive applicationsof lithium batteries, dozens of incidents have been recorded. These problems are mainlycontributed by thermal runaway caused fires and explosions. In order to provide a scientific basisfor the management of storage and transport
4、ation of lithium batteries, the heat release rateexperiments are carried out, and the combustion characteristics of lithium batteries are discussed.Keywords: Lithium batteries; safety; fire; explosion0 引言锂电池具有高能量,循环使用寿命长,效率高,污染小等优点,广泛应用于各类电子产品中。然而锂电池在造福人类的同时也带来了潜在的危害,时常发生锂电池燃烧和爆炸的事故,给人们的生命和财产安全带来很大的
5、威胁,锂电池的安全问题亟需研究和解决1。在火灾的研究中,热释放速率是一个体现火现象的重要参数2。热释放速率指的是单位时间内燃料所释放的热量,它象征着火释放热量的快慢和大小,也就是火源释放能量的能力。本文通过实验方法对锂电池燃烧的热释放速率进行研究,定量分析锂电池燃烧的能力与危害程度,为锂电池的安全管理提供科学依据。1 理论基础Huggett 在 1980 提出了氧耗法测量热释放速率3。他提出:对于有机液体和气体,常用的塑料和其他固体可燃物完全燃烧时,其释放的热量与消耗的氧气量成正比。通过大量的试验发现,每消耗单位质量的氧气释放的净热量接近一个常数 E=13.1MJ/kg, 准确的小于5%,不完
6、全燃烧和燃料的不同对结果只有很小的影响。在完全燃烧时,只要测出烟气中的 O2 含量就能计算出热释放速率,考虑到不完全燃烧,需要同时测量烟气中的 CO2,CO 的含量。基于耗氧量原理测得的热释放速率减去点火装置热输出即为试样燃烧过程中的热释放基金项目:博士学科点基金(20103402110009);中央高校基本科研业务费专项资金(WK2320000012)作者简介:陈明毅,(1990-),男,江苏南通人,硕士在读,主要进行锂电池燃烧、爆炸危险性研究。通信联系人:汪箭,(1960-),男,教授,主要研究方向:燃烧过程的计算机模拟与仿真。E-mail:-1-速率,其计算公式是:1aO2 E 1 C3
7、H 8 QC(1)式中 为耗氧系数。02 2 O 2 CO2X O0 (1 X CO2 X O 2 )(2)45a2 2 2)(3)11E C3H 8=16.8103kjm3;V 29 8 标准状况下(0.1MPa,25)排烟管道内气体的体积流量 m3s-1。基于这个原理就可以测出锂电池燃烧的热释放速率,我国的 ISO9705,ISO9706 表面材料50的实体房间火试验就是用的这个原理4,5。2 实验设计2.1实验装置实验在一个小型热释放速率实验台进行,这个缩小版的热释放速率实验台是标准ISO9705 实验台的 0.4 倍。整个实验台由燃烧室,锥形烟气收集器,风机及排烟管道,均流55器,双向
8、测速探头,烟密度计,O2、CO2、CO 气体分析仪及其预处理系统组成。燃烧室的尺寸是 1.21.21.2m,在燃烧室的四周有高度为 1.05m 的防火板和钢板,里面一层是防火板,外面一层是钢板。在这下面留出 0.15 的距离便于通风,实验台如图 1 所示。图 1. 实验台装置图60燃烧室内部是实验装置及测量设备:在最底部中心位置是测量失重用的天平,高度为0.15m,上面是丙烷燃烧器,总体高度是 0.4m,燃烧器上方 0.05m 处是电池,放在间距为0.01m 的铁丝网上。4 个 K 型热电偶安装在中心位置,从电池顶端位置开始,向上间距 0.15m。在电池水平方向 0.4m 处是辐射热流计。在燃
9、烧室外放置 DV,记录实验过程,同时安装摄65像头,以便在实验间外远程监控。-2- (a 1) + 1 E(1 X ) X (1 X ) =2= X 0 (1 X 0氧所释放的能量,试样在 25时燃烧E =17.210kJm-3,2.2实验方案实验点火方式:标准丙烷火,燃烧器尺寸是 0.170.170.145m,功率为 10KW。实验用电池为两种型号,如表 1 所示。针对每个型号的电池开展 2 组实验,即单节电池和两节电池的燃烧实验,电池的状态均为 100%的初始电量。70表 1实验用的电池方案电池型号CR123A18650实验个数1,21,2电量100%100%3 结果分析在进行锂电池燃烧实
10、验的过程中观察到以下现象(如图 1 所示):从丙烷火点燃开始,75锂电池的塑料外皮首先发生燃烧,并迅速烧完;2 分钟之后,由于锂电池整体温度很高,内部发生热失控反应,产生气体使得锂电池正极发生泄漏,并形成小型的橘红色炬状火焰;与此同时电池内部的电解液开始喷出并发生燃烧,很快形成强烈的火焰;之后正极处产生大量的白色火星并发出噼里啪啦的声响,释放出大量气体并且剧烈燃烧。在几秒内这种现象速度加快,并发生爆炸性反应,产生巨大声响。8085a.准备实验c. 橘红色炬状火焰e.剧烈燃烧、喷射大量火星b.外皮燃烧d.电解液喷出燃烧f.实验结束图 1.锂电池燃烧实验现象实验中发现 18650 型号的锂电池燃烧
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