基于锂电池环境试验设备的安全性试验研究

郑昆，林文表，马军，丁胜，樊文琪,2

（1.广州五所环境仪器有限公司，广州 511370； 2.工业和信息化部电子第五研究所，广州 511370）

引言

随着新能源锂电池产业的快速发展和广泛应用，锂电池的安全性始终是行业内研究重点。当锂电池出现异常进而发生燃烧或爆炸等反应时，其火势迅速、短时间内向外释放较大压力，因而可导致周边设施设备毁损、人身伤亡等重大安全事故的发生[1-3]。锂电池进行高温、湿热等气候环境试验时，为预防锂电池在试验箱内发生燃烧、爆炸等情况对试验设施及人员造成损毁和伤害，应将锂电池在具有防爆泄压功能的试验设备中开展试验。而在研制锂电池环境试验设备时需考虑受限空间内锂电池的安全特性设计并验证其防爆泄压等技术性能指标。

1 锂电池安全特性

锂电池在高温、过充、外部短路等情况时，电池内部温度短时间异常升高，升高的温度向周边进一步扩散，进而电池内部发生剧烈化学反应，进一步升高电池内部温度，因而化学反应生成的大量热量、气体积聚到一定程度时可使电池发生燃烧、爆炸[4-6]。锂电池燃爆分析见图1所示。

图1 锂电池燃爆分析

锂电池发生的燃烧主要为无氧燃烧，且温度越高，电池内部化学反应越剧烈，其产生O2、C2H4、CO、H2、CO2等气体，燃烧时电池表面温度可达（800～1 500）℃，使用以窒息为原理的灭火剂对锂电池发生的燃烧效果不明显[7-8]。但可通过对试验设备配备电池温度监测预警模块及能使电池迅速降温的灭火装置，当电池温度监测预警模块检测到电池温度异常升高时，应向设备控制系统发出预警，当温度持续升高至预设温度时，则灭火装置应启动，向电池喷射降温灭火剂，使电池快速降温，达到阻止锂电池内部化学进一步反应，进而可达到抑制电池燃烧的目的。

锂电池燃爆过程中的冲击力与其所具备的能量成正比，与其所在的试验空间体积成反比，相同能量的锂电池在越大的试验空间体积所产生的冲击力越小[9-11]。因而在研制锂电池环境试验设备时应尽量选用大容积的试验设备，同时其应配备压力释放装置，当锂电池发生爆炸时，应能通过压力释放装置释放出电池产生的冲击力，进而达到保护试验设备的目的。

图2 锂电池环境试验设备

2 锂电池环境试验设备

结合锂电池安全特性，研制了带以快速降温为原理的灭火装置、电池温度监测预警模块、压力释放装置的锂电池环境试验设备，具备泄压、有害气体监测、强制排风、灭火、箱体防护、观察窗防护、箱门防护等安全防护功能，可用于锂电池试验或其它有泄压需求的样品试验，能够完成GB 38031-2020、GB/T 31467.1-2015、GB/T 31467.2-2015、GB/T 31484-2015、GB/T 31486-2015等锂电池相关标准所要求的温度试验、湿度试验。

3 安全性试验设计

为验证锂电池环境试验设备安全防护功能，需对试验设备的安全性进行试验测试，分别设计并开展了压力释放装置动作测试（缓慢加压试验）、压力释放装置动作测试（压力快速释放试验）、电池爆炸试验、泄压口密封性能、灭火装置灭火试验、电池温度监测试验等，具体安全性试验方法及结果判定如表1所示。

表1 安全性试验方法及结果判定

4 结论

本文结合锂电池燃烧爆炸特性对锂电池环境试验设备设计了压力释放装置动作测试、灭火装置灭火、电池爆炸试验等多项安全性试验方法及结果判定，通过对广州五所环境仪器有限公司已成功研制的锂电池环境试验设备（泄压防护型快速温度变化湿热试验箱）进行安全性试验，验证了本方法的可行性。该方法可对锂电池环境试验设备等防爆泄压型设备的研发测试提供参考。