NASA电池安全研究:18650电池不同气氛热失控颗粒物成分分析

研究背景:

电池安全研究不仅要关注如何防止电池热失控，同时要研究热失控的详细特征。以往的电池热失控研究对热量释放和温度研究较多，对热失控过程气体释放和产生的颗粒物研究较少。特别是电池热失控过程产生的颗粒物，目前从了解的情况看仅有美国和日本的相关人员给予了关注和研究，国内关注的很少。来自NASA的E. Joseph Nemanick等人首次详细研究了LiCoO2/NMC 18650电池在不同气氛下加热导致的热失控行为，并重点分析了热失控产生的颗粒物，揭示了颗粒物可能带来的危害。该报告题为Li-ion 18650 Thermal Runaway Particulate Analysis，具有极高的学习和参考价值，值得好好看看。

一.实验所用电池及测试条件

实验所用的18650电池为三星生产，LiCoO2/NMC体系，电池容量2.6 Ah。电池表面缠缚加热带，通过加热方式触发电池发生热失控。

电池加热热失控实验室在密闭罐体中进行，测试前电池均为满充态。实验共进行了三组，分别在普通大气、23.5% O2/76.5% N2和真空环境中进行。之所以考察电池在三种不同气氛中的热失控结果主要是更好的模拟空间站中可能发生的情况。

二.三种不同气氛下的电池热失控过程

在普通大气氛围下，18650电池先开阀喷出电解液蒸汽，随后电解液被引燃同时伴随着大量火星的喷射。待热失控结束后可在罐壁上观察到灰色和黑色的颗粒物。

18650电池在23.5% O2/76.5% N2气氛下的热失控情形同在正常大气环境中的热失控情形类似，唯一区别在于该氛围下电池热失控过程更为猛烈，可观察到大量的火星喷射。

相反，真空环境下电池的热失控过程相对温和，并未出现电解液蒸汽的引燃过程，同时火星的喷射相对较弱。

三.颗粒物成分分析

热失控结束后的颗粒物为黑色块状，并且具有一定的磁性，SEM结果显示颗粒物的形状不规则。从颗粒粒径分布看，绝大多数颗粒的粒径小于5 μm，并且颗粒的粒径分布同三种环境氛围几乎没有太大关系。

值得注意的是在18650电池在真空环境下热失控会产生大量的铝纤维，且在现象在正常大气氛围和23.5% O2/76.5% N2氛围下均未观察到此现象。EDX分析显示铝纤维表面能检测到相当量的C元素及少量的Co元素。

EDX分析显示三种不同氛围下18650电池热失控产生的颗粒物元素成分相差不大，但正常大气和23.5% O2/76.5% N2气氛下产生的颗粒物pH值均为碱性，唯独真空氛围下的颗粒物呈中性。正常大气和23.5% O2/76.5% N2气氛下产生的碱性颗粒物对人眼和肺都存在危害性。

随后，作者还对颗粒物在加热条件下的失重进行了分析。正常大气、23.5% O2/76.5% N2和真空气氛下电池热失控产生的颗粒物加热失重分别为4%、5.74%和10.43%，表明真空环境下由于缺氧热失控过程有机物的燃烧过程并不充分。

对颗粒物进行GC-MS分析，产物中能检测到氟代化合物和磷代化合物，作者认为是电解液中锂盐部分分解的产物。在颗粒物的挥发物中则检测到各种酚类物质和芳香族化合物，这两类物质均对人体有害，或许这也是电池热失控后产生的颗粒物刺激性气味很浓的原因。

四.小结

从以上NASA的研究结果看电池热失控产生的颗粒物绝大多数粒径小于5 μ，并且颗粒物上伴随中多种有机和无机组分，正常大气氛围下产生的颗粒物pH值甚至为强碱性。电池安全工程师和测试人员常年和这些颗粒物打交道，应最大限制做好防护措施，以免颗粒物对人生造成伤害。

参考文献:

E.&Joseph&Nemanick, Michael&V. Quinzio, Paul L. Joseph, Yong Kim, Aura L. Goeppinger, Don Walker.Li-ion 18650 Thermal Runaway Particulate Analysis .2018

文/弯月