P机械冲击条件下锂离子蓄电池安全性分析

摘要：煤矿井下环境恶劣且空间狭小，锂离子蓄电池容易遭受外部的物理冲击或损害，引发安全事故。以100 A·h 矿用锰酸锂离子蓄电池作为研究对象，对该电池进行针刺、高温、潮湿试验，分析电池的安全性能。通过针刺试验模拟煤矿井下环境中潜在的机械冲击，用尖锐物体刺入电池，观察电池在极端条件下的反应。使用炉箱和湿度控制环境箱模拟煤矿井下的高温和潮湿环境，对针刺后的电池实施试验，评估电池在煤矿井下极端环境中的安全性和可靠性。试验结果表明：① 电池被钨针刺穿后，表面出现一定变形和破裂，但未出现电解质泄漏的情况，同时电池并未出现冒烟、起火、爆炸等危险情况，内部也没有气体产生。被钨针刺穿后，电池温度显著上升，但能控制在安全范围内且没有引发燃烧或爆炸，说明该电池在煤矿井下应用中具有一定的热稳定性。② 被刺穿电池在炉箱加热后显著膨胀，并伴随有气体泄漏的现象，但尚未引发爆炸或燃烧，说明电池在特定条件下具有一定的热稳定性。③ 在潮湿环境下，被刺穿电池产生气体，增加了内部压力，在刺穿和潮湿的双重影响下，使得电池温度增加，但因为潮湿环境中的水分起到一定的冷却作用，与高温环境下相比，电池温度上升趋势较为缓慢，且仍未引发爆炸或燃烧，说明电池在潮湿环境下仍具有热稳定性，不会出现热失控现象。

关键词：矿用锰酸锂离子蓄电池；电池安全性试验；机械冲击；针刺试验；高温试验；潮湿试验

中图分类号：TD679 文献标志码：A

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目前，煤矿开采技术不断进步，其机械化程度不断提高，对于矿用电源的安全性和可靠性要求也越来越高。锂离子蓄电池作为一种新型的、高效的能源存储设备，因其高能量密度、长寿命、无记忆效应等优点，在煤矿井下应用中展现出巨大的潜力[1-2]。然而，煤矿井下环境恶劣，机械设备运行频繁，且空间狭小，使得电源容易遭受外部的物理冲击或损害，造成起火或爆炸，导致煤矿安全事故发生。因此，有必要对模拟煤矿井下撞击条件下的锂离子蓄电池性能进行深入研究，旨在揭示电池在受到机械冲击时的反应和潜在风险，为煤矿井下电源系统的安全设计提供科学依据。

许多学者对锂离子蓄电池的应用安全问题展开了研究。姚源[3]针对锂电池性能衰减引起的安全性能降低的问题，现场采集并分析了煤矿监测通信系统后备电源及辅助运输设备动力电源管理使用数据和运行信息，开展了在用大容量锂电池的容量衰减分析、电化学阻抗谱（Electrochemical ImpedanceSpectroscopy， EIS）分析、热失控扩展与安全性试验、挤压试验分析和电源管理系统精度试验等比对试验，试验结果表明在用锂电池电性能、电池管理系统检测精度发生衰减，使用安全性下降。刘鹏等[4]根据锂离子蓄电池组的工作原理，重点分析了锂离子蓄电池组的压差变化、自放电和日历衰降等在轨运行数据。李富伟等[5]针对矿用锂离子蓄电池动力电源的使用特点和安全需求，研究了其机械结构、热效应控制、电气特性、电池管理系统、电磁兼容等方面的安全技术。上述研究在进行煤矿井下锂离子蓄电池应用安全分析时，均未考虑煤矿井下环境存在的各种潜在机械撞击风险，而锂离子蓄电池在受到外部机械冲击时，可能会发生电池破碎或电解质泄漏现象。

锰酸锂离子蓄电池是锂离子蓄电池的一种，以成本低、安全性高而被广泛使用，将其作为研究对象具有一定的代表性。本文以100 A·h 矿用锰酸锂离子蓄电池作为研究对象，在实验室模拟煤矿井下的潜在机械撞击环境，进行针刺、高温、潮湿试验，以分析电池的安全性能。