高温条件下NCM锂离子电池热失控释放气体的爆炸特性

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20230268

摘要/Abstract

摘要：

为了解Li（Ni _x Co _y Mn_1-_x_-_y ）O₂（NCM）锂离子电池热失控释放气体（BVG）在高温环境下引发爆燃的危险性，利用8 L爆炸测试装置和本生灯分别对BVG在不同初始温度θ₀（25～120 ℃）下的爆炸特性和层流燃烧速度进行了测试. 同时，利用软件CHEMKIN数值模拟分析了常温和高温条件下层流燃烧速度S_L的影响机制. 结果表明，爆炸下限(LFL)随初始温度的升高变化不明显，爆炸上限(UFL)增大；当θ₀升高到120 ℃时，最大爆炸压力p_max由0.62 MPa降至0.45 MPa，且与θ₀呈指数衰减关系；受正反两方面作用的影响，最大爆炸上升速率(dp/dt)_max随θ₀的升高有不同程度的降低；极限氧浓度(LOC)从7.39%呈指数下降至7.03%；S_L随θ₀的升高而增大. 同时发现C₂H₄和H₂含量是影响BVG燃烧及爆炸破坏程度的决定性因素. 研究结果可为NCM锂离子电池热失控引发环境爆燃的危险性评估与防治提供参考.

关键词: 锂离子电池, 热失控, 爆炸特性, 极限氧浓度, 层流燃烧速度, 机理分析

Abstract:

In order to evaluate the risk of deflagration in high temperature environments caused by NCM lithium-ion battery vent gas （BVG） after thermal runaway， the explosion characteristics and laminar burning velocity of BVG at different initial temperature θ₀ （25~120 ℃） were tested using an 8 L explosive chamber and a Bunsen burner. At the same time， the influence mechanisms of laminar burning velocity（S_L） at room temperature and high temperatures were further analyzed by CHEMKIN numerical simulations. The results show that the LFL doesn’t change significantly with the increase of the initial temperature， and UFL increases. When θ₀ increases to 120 °C， p_max decreases from 0.62 MPa to 0.45 MPa， and the relationship with θ₀ is exponential. Affected by both positive and negative effects，（dp/dt）_max decreases to different degrees with the increase of θ₀； LOC decreases exponentially from 7.39% to 7.03%； S_L increases with the increase of θ₀. It is also found that C₂H₄ and H₂ are the decisive factors affecting the combustion and explosion damage degree of BVG. The research results can provide a reference for the risk assessment and prevention of environmental deflagration caused by thermal runaway in NCM lithium-ion batteries.

Key words: lithium-ion battery, thermal runaway, explosion characteristics, limiting oxygen concentration（LOC）, laminar burning velocity, mechanism analysis

中图分类号:

X 932

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图/表 16

表1 锂离子电池热失控引发的火灾和爆炸事故

Table 1 Fire and explosion accidents caused by thermal runaway of lithium-ion batteries

序号	时间	事故描述	事故原因
1	2010年3月	两台iPod Nano音乐播放器过热起火，日本	锂离子电池过热^[4]
2	2011年4月	电动出租车起火，中国杭州	短路导致电解液燃烧
3	2013年10月	6辆特斯拉Model S新能源汽车起火	因碰撞造成电池短路、电池自燃等
4	2015年4月	电动公交车在充电过程中起火，中国深圳	BMS故障导致蓄电池过充
5	2017年10月	电动汽车起火，奥地利	撞车后汽车的锂离子电池起火
6	2019年4月	1个2 MW的储能系统发生爆炸，美国亚利桑那州	电池内部缺陷^[5]
7	2021年4月	电化学储能系统发生爆炸，中国北京	单体电池内部发生短路^[6]
8	2023年6月	新能源汽车碰撞收费站设施后起火	因碰撞造成电池短路、电池自燃等

表2 NCM锂离子电池BVG典型组分[11] (battery BVG %)

Table 2 Typical components of NCM lithium-ion

气体种类	CO₂	CO	H₂	CH₄	C₂H₄
体积分数	37.3	28.9	0.7	5.4	5.7

图1 8 L爆炸特性测试系统

Fig.1 8 L explosion characteristic test system

图2 层流燃烧速度测试系统

Fig.2 Test system of laminar burning velocity

图3 纯甲烷的层流燃烧速度

Fig.3 Laminar burning velocity of pure methane

图4 初始温度对爆炸极限和爆炸范围的影响

Fig.4 Influence of initial temperature on explosive limits and explosive range

图5 不同初始温度条件下的最大爆炸压力变化

Fig.5 Changes in maximum explosion pressure at different initial temperatures

图6 不同初始温度下最佳浓度的最大爆炸压力

Fig.6 Maximum explosion pressure of the optimal concentration at different initial temperatures

图7 不同初始温度下的最大爆炸压力及其到达时间

Fig.7 Maximum explosion pressure and its arrival time at different initial temperatures

图8 不同初始温度下不同体积分数的最大压力上升速率变化

Fig.8 Changes of maximum pressure rise rate at different initial temperatures and volume fractions

图9 最佳浓度下最大压力上升速率随初始温度的变化

Fig.9 Change of maximum pressure rise rate with initial temperature at optimal concentration

图10 不同初始温度下的BVG的LOC的变化

Fig.10 Changes of LOC for BVG at different initial temperatures

图11 不同初始温度下的BVG层流预混火焰图像（a）—25 ℃；（b）—50 ℃；（c）—80 ℃；（d）—120 ℃.

Fig.11 Laminar premixed flame images of BVG at different initial temperatures

图12 不同初始温度下BVG的层流燃烧速度

Fig.12 Laminar burning velocity of BVG at different initial temperatures

图13 二元混合可燃气体爆炸机理的数值分析（a）—25 ℃；（b）—120 ℃.

Fig.13 Numerical analysis on the explosion mechanism of binary fuel blends

表3 25和120 ℃下H2,C2H4和CH4的最大层流燃烧速度 (C2H4 and CH4 at 25 and 120 °C)

Table 3 Maximum laminar burning velocity of H2

温度/℃	燃烧速度/（cm·s^-1）
温度/℃	H₂	C₂H₄	CH₄
25	311.06	9.27	37.51
120	468.34	140.07	60.61

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