热失控是锂电池安全事故的重要原因，它会引起锂离子电池起火甚至爆炸，直接威胁用户的安全。若锂电池单体在某种诱因下发生热失控，电池材料将发生一系列剧烈的化学反应，产生大量热量以及可燃、有毒的气体，导致电池因内部温度、压力急剧升高而炸裂，可燃气体随之泄露，在高温下遇到外界空气引起剧烈燃烧，形成射流火或燃爆火球，从而引起周围其他单体的失控，引发安全事故。
图1 锂离子电池典型起火事故
电池的荷电状态、服役时间以及材料体系等都会导致电池产气成分变化，从而影响其燃爆特性及电池热失控危险性[1]。评估电池产气的燃爆特性对于评价动力电池安全性具有重要意义，而爆炸极限是研究可燃气体危险性的重要评估参数。
爆炸极限分析测试
在本案例中，采用国内某厂家50A·h、100%SOC的三元锂电池，使用大型电池绝热量热仪（仰仪科技BAC-420A型）在惰性气体氛围中完成电池热失控实验。随后对电池产气进行收集，并利用气相色谱对气体成分进行分析，结果如下图所示：
图2 某锂离子电池产气成分色谱分析结果
该混合气中的多种可燃气体和惰性气体可按照一定方法进行配对，并利用理查特里（Lechteillier）公式对混合气的爆炸极限进行估算[2]：
其中Lm为混合气体的爆炸极限；L1、L2、……、Ln为各组分的爆炸极限；V1、V2、…、Vn为各组分的含量。经过计算可得该电池产气的爆炸下限LFL=33.02%。接下来我们通过实验对上述计算进行验证。如图3所示，本案例使用爆炸极限试验仪（仰仪科技HWP21-30S型）对混合气的爆炸极限进行测试。通过该仪器可自动配气，根据点火后的闪燃现象可判断设定浓度下样气是否已达到爆炸极限。
图3 (a) 电池产气爆炸极限测试现场图
实验录像：(b) 浓度30%
实验录像：(c) 浓度40%
实验录像：(d) 浓度35%
实验录像：(e) 浓度32.5%
由于气体量限制，本案例总进行5次实验，实验结果汇总如下：
根据上述结果，该电池产气的爆炸下限LFL范围为32.5%-35%，其中32.5%浓度下爆炸较为微弱，该浓度与爆炸下限值已非常接近。同时，实验值与理论计算值的符合程度较高，也相互印证了上述结果的可靠性。
实验探讨
本案例相对完整地阐释了电池产气爆炸极限测试方法，虽然实验结果较好，但实验本身仍存在一定的局限性。例如，锂电池热失控需在惰性气体氛围中发生，但大量惰性气体引入将导致电池产气LFL增大；另外，爆炸极限测试压力条件目前尚不明确，常压或高压下LFL的测试结果略有差别（高压测试需使用高温高压爆炸极限测试仪）。上述问题有待行业内专家共同探讨，推动相关测试标准的建立。
参考文献
[1] 崔发生, 鲁琦, 蒋锋等. 动力电池热失控下可燃性气体的研究.
[2] 张立志, 李学文, 张琪. 煤油气共生矿井油型气爆炸极限的测定[J]. 煤矿安全, 2018, 049(005):198-200,205.
