【背景】

電池熱失控火災過程復雜且危害性大，通常伴隨大量熱量及毒害性氣體釋放。因此，積極開發(fā)高效滅火材料對防止電池熱失控事故的發(fā)生并減少損失十分重要?，F(xiàn)有研究表明氣凝膠具有密度低且結構穩(wěn)定不易發(fā)生畸變、導熱能力差、熱穩(wěn)定性好等特殊優(yōu)勢，作為一種新型滅火材料，對于固體、液體類火災具有較好的防治效果，但其在抑制電池火災方面的有效性尚待驗證。因此，此論文旨在研究氣凝膠泡沫滅火劑抑制鋰離子電池熱失控的效果和鋰離子電池熱失控規(guī)律，為進一步探尋鋰離子電池熱失控快速有效的抑制方式打下基礎。鋰離子電池的熱失控過程狀態(tài)可由測量得到的電池外殼溫度、火焰溫度、電池膨脹導致的擠壓應力三種特征參數(shù)判斷。實驗設置如圖1所示。

圖1 實驗設置

通過滿荷電狀態(tài)下的100 Ah磷酸鐵鋰儲能電池熱失控演變過程特征參數(shù)劃分鋰離子電池熱失控階段，識別出三個災害演變特征拐點作為滅火劑施加的指導節(jié)點。在相同節(jié)點分別施加滅火參數(shù)一致的氣凝膠泡沫滅火劑與細水霧，開展滅火對比測試。通過比較細水霧和氣凝膠泡沫滅火劑在指導節(jié)點噴灑后鋰離子電池外殼與電池火焰溫度曲線，分析在不同熱失控階段內氣凝膠泡沫滅火劑相較細水霧滅火抑制效果的優(yōu)勢及原理。研究結果表明，觸發(fā)明火前施加滅火劑均可有效阻斷電池內部放熱副反應，兩者表現(xiàn)出相似的冷卻效能；電池起火后，氣凝膠泡沫滅火劑展現(xiàn)出更為出色的明火抑制效果，其接觸電池表面形成的致密泡沫可有效阻隔氧氣，實現(xiàn)快速滅火，如圖2所示。

圖2 氣凝膠滅火劑表面成泡形態(tài)

（1.熱失控前施加；2.熱失控后施加）

對于已經觸發(fā)熱失控的情形，氣凝膠滅火劑憑借預熱覆蓋效果，顯著縮短電池射流火持續(xù)時間，可大幅降低電池火災危害。

圖3 滅火劑作用下電池火焰溫度曲線

對滅火現(xiàn)象進行分析可以發(fā)現(xiàn)，細水霧主要依賴于霧場與電池射流火的相互對抗進行滅火，其作用過程中電池火表現(xiàn)出劇烈的形態(tài)變化，如圖4所示。與之不同的是，氣凝膠滅火劑作用下電池射流火表現(xiàn)出包覆式滅火過程，火焰高度逐漸降低直至熄滅，其滅火過程較快、火焰波動現(xiàn)象不顯著，一定程度上說明氣凝膠滅火劑的出色控火效果。

圖4 細水霧（上）和氣溶膠（下）滅火過程

【結論】

1）氣凝膠滅火劑具備阻斷熱失控發(fā)展的能力，可有效撲滅電池明火，同樣工況下比細水霧降低約70s。

2）熱失控觸發(fā)后其冷卻降溫效果顯著削弱，但電池射流火持續(xù)時間明顯縮短，火災危險性進一步降低。

3）此實驗條件下，氣凝膠滅火劑表現(xiàn)出較為高效的明火抑制效能，其在電池表面形成的覆蓋物有助于窒息電池、防止復燃。

此論文研究搭建鋰離子電池熱失控實驗平臺，創(chuàng)造性地提出劃分滅火劑施加指導節(jié)點的研究思路，進行細水霧與氣凝膠泡沫滅火的對比實驗，從而進一步分析氣凝膠滅火劑的冷卻、防復燃和阻燃原理，為鋰離子電池火災防治提供了新思路。

【電池綜合性能實驗艙】

合肥點石儀器科技有限公司自主研制的電池綜合性能實驗艙可實現(xiàn)多種環(huán)境要素(溫度、壓力、氣氛等)耦合，對電池進行多類測試(針刺、擠壓、過充、過放、短路、溫度循環(huán)、點火、滅火)，用于電芯及小型電池模組的綜合性能測試。