锂一次电池热失控释放温度和低压环境相关性

张艳，雷虎，越云博，胡冉，季柳燕，胡华荣＊

（1.海军装备部驻上海地区第六军事代表室，上海 201108；2.上海空间电源研究所，上海 201108）

本文为进一步提升锂一次电池的可靠性，现对锂一次电池进行热失控反应实验，研究锂一次电池热失控释放温度和低压环境之间的相关性，为制定和完善锂一次电池提供相应的依据和参考。

1 实验设计

采用压力动态化调整的方式，将低气压环境的压力设置为30kPa、60kPa和101kPa，以确保实验结果的真实性和可靠性。对锂一次电池进行热失控反应实验，以实现对智能化热失控释放温度与低压环境之间相关性和科学分析和研究。本实验所利用的系统主要为NI－cDAQ数据采集系统，将温度采集频率设置为10Hz。热电偶型号为K型，热电偶采用点状焊接的方式，以提高锂一次电池的反应灵敏度。本实验所用电池型号为锂一次电池，该电池的容量为2.6Ah，同时，将变压舱内的温度设置为25℃。

2 数据分析

2.1 电池喷射出口环境温度特性

当环境压力达到101kPa时，锂一次电池所释放的高温主要有两种来源途径，一种是锂一次电池内部要反应过于剧烈所致的高温能量；另一种是锂一次电池内部含有大量可燃性气体，这些气体与空气混合后，发生二次燃烧反应，故释放了大量的高温能量。

当环境压力达到60kPa时，锂一次电池热失控反应温度变化曲线与热失控反应后释放温度变化曲线如图1所示：锂一次电池在整个热失控反应中，出现了5个高温峰值，这说明，随着环境压力值的不断降低，锂一次电池所释放温度不断降低，同时，环境中的氧浓度也呈现出不断下降趋势。在30kPa压力环境下，锂一次电池温度变化曲线与锂一次电池热失控反应后所释放的温度变化曲线见图1。当环境压力达到101kPa时，电池喷射出口在进行实际的检测中，共经历了5个温度高峰值，当锂一次电池内部温度不断上升时，峰值宽度不断加宽，同时，高温持续时间不断延长。因此，当环境压力达到30kPa时，锂一次电池所释放的温度峰值数量不断降低。此外，与60kPa压力环境相比，30kPa压力环境所对应的峰值宽度相对较窄，因此，在该压力环境下，所释放的高温危险性也相对较低，所以，锂一次电池热失控释放温度与低压环境之间存在一定的正相关关系。

图1 60kPa环境下电池温度与喷射出口释放温度

2.2 电池喷射出口热失控释放高温分布统计

在以上三种不同压力环境下，通过对锂一次电池进行热失控实验，并去除两次重复实验，从而得到如图2所示的锂一次电池热失控释放温度分布。从图中可以看出：随着环境压力值的不断降低，锂一次电池热失控释放温度呈现出不断下降的趋势，同时，所释放的温度危险性也逐渐下降，这说明锂一次电池热失控释放温度与低压环境之间存在正相关关系。

图2 3种压力环境下锂一次电池热失控释放温度分布

2.3 热释放速率

为了提高对锂一次电池热失控释放温度控制效率和效果，除了控制低压环境外，还要重视对热释放速率的控制，通过采用变温方式，借助热量释放测试平台的应用优势，在30kPa、60kPa和101kPa三种不同压力环境下，本实验所获得和整理热失控释放速率相关信息数据，为后期更好地优化实验操作流程提供相应的依据和参考。在101kPa压力环境下，锂一次电池所释放的温度高峰值为8.8kW；在60kPa压力环境下，锂一次电池所释放的温度高峰值为5.8kW；在30kPa压力环境下，锂一次电池所释放的温度高峰值为2.5kW，由此可见，当环境压力值不断下降时，锂一次电池所释放的温度高峰值呈现出不断下降趋势，同时，锂一次电池内部燃烧强度也呈现出不断下降的趋势，因此，在进行锂一次电池热失控实验的过程中，一旦锂一次电池内部反应过于剧烈，势必会增大相关环境喷射的热量，当锂一次电池所释放的可燃性气体与空气充分混合后，会出现二次燃烧，从而提高了锂一次电池热失控释放温度。

3 结论

通过以上实验，得到以下结论：1）当环境压力达到60kPa时，锂一次电池最高温度持续时间相对较短，同时，释放的高温危险性较低，这些高温热量主要有两种来源途径，一种是锂一次电池内部材料反应后所释放的能量；另一种是锂一次电池内部释放的可燃性物质与空气接触反应后所释放的热量。2）当环境压力达到30kPa时，锂一次电池热最高温度持续时间不断缩短，同时，释放的高温危险性最低，这些高温热量全部来源于锂一次电池内部材料反应后所释放的能量。3）随着环境压力值的不断减小，锂一次电池最高温度持续时间呈现出不断下降趋势，当锂一次电池热失控释放的能量达到一定值时，锂一次电池表面温度将会上升到900℃以上，因此，锂一次电池热失控释放温度与低压环境之间存在正相关关系。