常见三元锂电池热失控过程分析

顾卫娟 黄文晓 杨云 张金专 金静 王鑫玉

(1.海口市消防救援支队 海口070100； 2.中国人民警察大学研究生院 河北廊坊 065000；3.中国人民警察大学侦查学院 河北廊坊 065000)

0 引言

三元锂电池因其能量密度高、低温性能好等优点，被越来越多的交通工具生产企业选择作为其产品的动力源[1]。但是近年来，因三元锂电池不合理使用造成热失控引发的火灾，对人民的生命和财产安全构成了极大威胁[2]。视频分析技术在当今的火灾调查工作中扮演着重要角色，其既能在非接触火场的前提下进行痕迹勘验，又能对火灾过程等信息进行时空记录[3-4]，越来越多的火灾事故调查工作依靠视频分析技术得以顺利开展[5]。本文对常见的三元锂电池通过加热板高温诱发热失控，由摄像机记录其热失控过程，利用视频分析结合其热失控过程的热流变化，研究不同类型三元锂电池的热失控过程特征规律，对于研究三元锂电池火灾的起火原因、起火过程等火灾调查工作具有重要意义。

1 实验过程

1.1 实验材料与设备

根据三元锂电池中镍(Ni)、钴(Co)和锰(Mn)的比例不同，选取商业化的4种常见类型三元锂电池：NCM111、NCM523、NCM622、NCM811，锂电池单体的尺寸为26.5 mm×91.6 mm×148.5 mm，电池单体的质量为844 g，每块电池的SOC值为100%；加热锂电池的加热板功率为700 W，三元锂电池模组采用4块锂电池单体串联组成。

1.2 实验模型

将4块同等型号规格的锂离子电池用金属框架固定在地面上，电池的右侧紧贴加热板，如图1所示。为防止散热的影响，在加热板和金属框架之间放置隔热板，隔热板的尺寸和电池的尺寸一致，具体实物如图2所示。在加热板的作用下，1#电池会先发生热失控，出现电池喷发现象；当1#电池喷发后，立即关闭加热器的电源，随后的2#～4#电池依次在前一节热失控电池传热的作用下发生热失控。在距离电池组25 cm处布置一个辐射热流计，记录实验过程中热流变化，实验时通过摄像机记录其热失控的过程，具体实验布置如图3所示。实验场地为6 m×4 m×3.5 m的空旷房间。

图1 电池布置

图2 电池实物

(a)实验布置情况

2 实验分析

2.1 不同型号电池组中1#电池热失控时特征分析

对4种三元锂电池组进行热失控实验，每组的1#电池在加热板的作用下内部升温，进而引发锂电池热失控。每组1#电池热失控的前期都是先释放出少量白色烟气，紧随着就是剧烈的热失控过程。

在相同的加热条件下，各组中1#电池开始发生热失控时的烟气释放特征如图4所示。在发生热失控的瞬间，4种不同型号三元锂电池中NCM111释放出的烟气浓度最大，烟气颜色相对最浓黑，其后依次为NCM523、NCM622、NCM811；在几种锂电池热失控喷发瞬间，NCM111和NCM523有少量的火星和颗粒物喷出，NCM622有大量的火星和颗粒物喷出，NCM811无火星和颗粒物喷出。

(a)NCM111 (b)NCM523 (c)NCM622 (d)NCM811图4 不同型号电池组1#电池开始失控时特征

2.2 不同型号电池组中1#电池热失控过程分析

对于4组不同型号的三元锂电池模组，其各自1#电池发生热失控所经历的时间为10～20 s，每种三元锂电池由于其内部镍(Ni)、钴(Co)和锰(Mn)的比例不同，所以在发生热失控过程中表现出不同的烟气和火焰特征。根据每组1#电池在失控过程中所表现出的明显烟气和火焰特征变化，将每个电池模组的1#电池热失控过程分为4个阶段，标明每个阶段所经历的时间，分析各型号三元锂电池热失控过程，对比不同三元锂电池的热失控特征。

NCM111电池组1#电池热失控过程如图5所示。NCM111锂电池在热失控的整个过程中不产生火焰，只有少许火星喷出；失控的前期产生的烟气较淡，随后烟气颜色变浓黑，但是在最后阶段冒出灰白色烟气；失控过程的阶段3经历时间接近10 s，该阶段产生大量浓黑烟气。

(a)阶段1(0.2 s) (b)阶段2(1.19 s) (c)阶段3(9.56 s) (d)阶段4(1.68 s)图5 NCM111电池组1#电池热失控过程

NCM523电池组1#电池热失控过程如图6所示。NCM523锂电池在整个失控过程中未产生明火，喷出大量的火星和颗粒物；在热失控的前期烟气较淡，由于烟气中伴随着大量的火星，整体呈现出橘红色，在失控的最后阶段喷射出大量的淡灰色烟气；失控过程的阶段3产生大量的浓黑烟气，该阶段经历时间也最长，为6.23 s。

(a)阶段1(2.48 s) (b)阶段2(1.94 s) (c)阶段3(6.23 s) (d)阶段4(2.07 s)图6 NCM523电池组1#电池热失控过程

NCM622电池组1#电池热失控过程如图7所示。NCM622锂电池在失控过程中产生明显的火焰和较少的烟气，火焰在锂电池喷射口上方断续喷出，火焰最高可达135 cm；在失控的后期阶段火焰消失，产生淡白色浓烟；失控过程的阶段3经历时间最长，该阶段主要喷射出断续的火焰。

(a)阶段1(1.03 s) (b)阶段2(0.2 s) (c)阶段3(7.18 s) (d)阶段4(3.17 s)图7 NCM622电池组1#电池热失控过程

NCM811电池组1#电池热失控过程如图8所示。NCM811锂电池在失控过程中产生明显的连续火焰，火焰从电池喷射口喷出，只在阶段1产生明显黑色烟气；失控过程的阶段4经历时间最长，为7.14 s，该阶段喷射出的火焰高度接近120 cm。

由图5～图8可以看出，不同型号的三元锂电池表现出不同的热失控特征。首先，直观上可以看出，NCM111和NCM523在热失控过程中具有一定的相似性，两者都产生大量烟气，且在整个失控过程一直以喷射出大量浓烟气为主；不同的是NCM523较NCM111产生的火星和颗粒物更多，其喷射高度也更高。NCM622、NCM811与NCM111、NCM523相比明显不同是，其热失控过程产生的烟气量较少，烟气颜色较淡，但是均产生猛烈的火焰；其中NCM622产生的火焰不连续，有一定的间断性，有可燃气体喷出，在电池喷射口上方空中燃烧形成火球和火焰，火焰的最高喷射高度达135 cm，热失控后期有灰白色烟雾不断冒出。NCM811与NCM622的不同点是，其热失控过程产生的火焰连续喷射出，喷射强度相对较弱，最高火焰喷射高度达120 cm。

(a)阶段1(2.96 s) (b)阶段2(3.46 s) (c)阶段3(1.66 s) (d)阶段4(7.14 s)图8 NCM811电池组1#电池热失控过程

4种不同型号锂电池热失控结束时，实验房间的烟气浓度情况如图9所示。NCM111和NCM523电池在热失控结束时产生的烟气量将要充满整个实验房间，而NCM622和NCM811电池热失控产生的烟气则远远没有充满实验房间。NCM111和NCM811产生的烟气颜色较深，NCM523和NCM622产生的烟气颜色则较浅，主要是白色烟气。

(a)NCM111 (b)NCM523 (c)NCM622 (d)NCM811图9 不同型号电池组1#电池热失控结束

2.3 不同型号电池组热失控过程时间分析

不同型号锂电池组在热失控实验中每块电池的失控时间记录分析如表1所示。触发1#电池热失控所需时间最长的是NCM523，为3 min 52 s；所需时间最短的是NCM622，为2 min 34 s。1#电池热失控经历时间最长的是NCM111，为18 s；经历时间最短的是NCM622，为10 s。每块锂电池单体热失控过程经历时间最长的是NCM523，经历时间最短的是NCM622。前一块电池单体失控结束到后一块电池单体失控开始，经历时间最长的是NCM111，经历时间最短的是NCM523。整个热失控过程时间最长的是NCM111，为11 min 25 s；整个热失控过程时间最短的是NCM622，为6 min 50 s。从每块锂电池单体热失控经历时间和整个电池组热失控过程时间看，NCM523和NCM811电池具有一定的相似性。

表1 不同型号电池组热失控过程时间分析

2.4 不同型号电池组热失控过程辐射热流分析

4种电池组在热失控实验过程中辐射热流的变化情况如图10所示。每组电池在热失控实验中都会出现多个热流峰值，其中NCM111、NCM523和NCM811电池都是第一个峰值最大，NCM622电池则是最后一个峰值最大。从峰值大小来看，由于NCM111电池在整个实验过程中几乎没有出现明火，所以其辐射热流相对最小，最大辐射热流量为138.9 W/m2；NCM523电池在实验过程中喷射出大量的火星和热颗粒物，最大辐射热流量为8 346.2 W/m2；NCM622电池在实验过程中喷射出猛烈的火焰，所以其辐射热流最大，最大辐射热流量为328 215.1 W/m2；NCM811电池在实验过程中喷射出连续的火焰，最大辐射热流量为135 388.7 W/m2。

(a)NCM111

3 结论

(1)4种三元锂电池组1#电池开始热失控时，产生烟气浓度由大到小的顺序为：NCM111、NCM523、NCM622、NCM811，其中NCM622伴有火星和颗粒物喷出。

(2)NCM111和NCM523的1#电池在热失控过程中产生大量烟气，不产生明火；NCM622和NCM811的1#电池在热失控过程中产生猛烈火焰，生成较少烟气；NCM622的1#电池产生断续喷射火焰，火焰高度达135 cm；NCM811的1#电池产生连续火焰，火焰高度达120 cm。

(3)整个电池组热失控过程时间最长的是NCM111，最短的是NCM622；NCM523和NCM811在热失控的时间上具有一定的相似性。

(4)在整个实验过程中，锂电池的热辐射流量出现多个峰值，其中NCM111、NCM523和NCM811电池都是第一个峰值最大，NCM622电池是最后一个峰值最大。在各电池组中，NCM622的热流量峰值最大，约为328 kW/m2。