前言
鋰離子電池?zé)崾Э剡^程會產(chǎn)生由多種可燃組分構(gòu)成的混合氣體，這種熱解氣一旦被點燃會出現(xiàn)不可控的嚴(yán)重后果。測定鋰電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣的爆炸極限與極限氧濃度，可為儲能電站等爆炸性環(huán)境的氧濃度控制提供理論依據(jù)，有效預(yù)防爆炸和火災(zāi)事故；也可為地下車庫等應(yīng)用場景的通風(fēng)設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持，提高公共安全性。
2021年1月12日上午6時23分（韓國當(dāng)?shù)貢r間）蔚山南區(qū)SK能源公司發(fā)生火災(zāi), 一幢三層電池儲能大樓被燒毀
本次實驗選擇應(yīng)用于儲能站的265Ah磷酸鐵鋰電芯，通過人工配氣模擬其熱失控所產(chǎn)生的混合氣體，并使用仰儀科技HWP21-30S型爆炸極限試驗儀進行產(chǎn)氣爆炸特性研究。實驗結(jié)果表明，常溫常壓下電池產(chǎn)氣的爆炸下限（LEL）為6.80%，爆炸上限（UEL）為40.63%，極限氧濃度（LOC）為7.50%。
實驗部分
1. 樣品準(zhǔn)備
（1）氮氣：純度不低于99.8 %（體積分?jǐn)?shù)）。
（2）待測混合氣體：成分比例如下圖，用以模擬磷酸鐵鋰電芯熱失控所產(chǎn)生的混合氣體。
圖1 混合氣體組分含量
2. 實驗條件
實驗儀器：仰儀科技HWP21-30S爆炸極限試驗儀
試驗?zāi)Ｊ剑簹怏w試樣試驗
容器體積：5L
環(huán)境壓力：101.29kPa
攪拌時間：5min
點火溫度：20℃
二次控溫：是
圖2 (a) HWP21-30S爆炸極限試驗儀; (b) 實驗裝置現(xiàn)場圖
3. 測試方法
（1）爆炸極限測定
參見GB/T 21844-2008 化合物(蒸氣和氣體)易燃性濃度限值的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法；GB/T 12474-2008空氣中可燃氣體爆炸極限測定方法。
（2）極限氧濃度測定
參見GB/T 38301-2019可燃氣體或蒸氣極限氧濃度測定方法。
實驗結(jié)果
1. 燃燒判定標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)GB/T 21844-2008 化合物(蒸氣和氣體)易燃性濃度限值的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法中提到的火焰的傳播的定義：在本試驗中，火焰前沿從點火源向上或向外到達器壁或至少離器壁13mm處的運動過程。向外擴散運動說明火焰前沿存在水平分量。
圖3 待測混合氣體被點燃的判定標(biāo)準(zhǔn)
注：距離器壁13mm處用紅色圓圈表示。
2. 爆炸極限實驗結(jié)果
（1）爆炸下限
進行爆炸下限測試時，測得最接近火焰?zhèn)鞑ズ突鹧娌粋鞑r的實驗效果如實驗錄像1所示，可以計算爆炸下限LEL=0.5×(6.526+7.077)%=6.80%。
實驗錄像1 (a) 火焰不傳播XTS =6.526%; (b) 火焰?zhèn)鞑?/span>XTS =7.077%
（2）爆炸上限
進行爆炸上限測試時，測得最接近火焰?zhèn)鞑ズ突鹧娌粋鞑r的實驗效果如下，可以計算爆炸上限UEL=0.5×(41.043+40.225)%=40.63%。
實驗錄像2 (a) 火焰不傳播XTS =41.043%; (b) 火焰?zhèn)鞑?/span>XTS =40.225%
3. 極限氧濃度實驗結(jié)果
極限氧濃度可利用三元圖進行分析，根據(jù)GB/T 38301-2019，當(dāng)UEL≤ 0.8 × (100-Xair，L)，適用簡易實驗程序。
圖4 電池產(chǎn)氣極限氧濃度三元圖
如圖4所示，通過程序?qū)嶒炛鸩酱_定爆炸區(qū)頂點空氣體積分?jǐn)?shù)（Xair，L），并測定0.8倍頂點惰性氣體體積分?jǐn)?shù)（0.8 Xin，L）的混合氣體爆炸極限，以驗證極限空氣濃度LAC位于爆炸區(qū)頂點，此時：
LAC= Xair，L = 35.89％
隨后可通過公式計算混合氣體的極限氧濃度：
LOC= LAC×0.209 =7.50％
待測混合氣體的三元圖既可以確定極限氧濃度，也可以表征爆炸區(qū)范圍，反映電池產(chǎn)氣的爆炸區(qū)臨界濃度分布規(guī)律。
結(jié)論
本文利用爆炸極限試驗儀測定了大容量磷酸鐵鋰電池單體熱失控產(chǎn)氣的極限氧濃度。以該數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過提高惰性氣體濃度或降低氧濃度進行抑爆設(shè)計，可以有效預(yù)防爆炸風(fēng)險，提高儲能電站等應(yīng)用場景的安全性。
