磷酸铁锂电池热失控产生的主要可燃气体检测解决方案

智能小猫

锂离子电池(LIB)是当今公认的最合适的储能技术之一，由于其具有高能量密度和优异的循环寿命，正越来越多地应用于汽车、固定和航空领域。在寻求LIB性能优化和成本降低的方法时，安全风险仍然是推进其大规模应用的主要障碍。由于LIB具有高能量密度和易燃材料，LIB频繁发生爆炸事故。单个电池的故障可能导致涉及的组件(负极、正极、电解质和隔板)的物理和化学反应，从而导致产生过多的热量和气体。当在稳定温度区域之外工作时，高放热反应会导致电池快速自热——这种情况被称为热失控(TR)，并伴有相关表现（如烟雾生成、火焰喷射和爆炸）。因此，随着锂离子电池的大规模应用，其热失控和着火成为重要问题。
近几年来，全球能源危机和环境污染日益严重。锂离子电池作为清洁无污染的储能源，正逐步应用于新能源汽车、太阳能转换储能设备、移动通讯设备等领域。目前越来越多城市出现了搭载锂离子电池的新能源汽车的身影，然而一些安全隐患也随之逐渐暴露。根据新能源汽车的火灾调查报告，绝大多数起火诱因为电池热失控。锂离子电池的不合理使用、意外破坏或自身缺陷均可能导致爆炸和火灾发生。
在众多触发电池热失控的原因中，针刺是造成电池损坏的一种不可逆的破坏性行为。当电池受到尖锐物体刺入或受到较大冲击力时，会使电池产生机械损坏，打破电池内部结构并使内部物质直接暴露，同时很容易使电池内部的正负极之间发生短路，进而产生大量热量并使温度迅速升高，造成热失控危害
锂离子电池在热失控后从电池内部都释放出哪些气体。当然，由于每种电池的组成、结果、化学状态都存在差异，释放出来的气体各有差异。通常，这些气体都是可燃的，当热失控造成电池内部温度快速上升到一定程度，就有可能触发燃烧。这里以一个40Ah NCM/C软包电池为例说明，它的电解液LiPF6/EMC/DEC/EC。在充满电的情况下，通过针刺出发热失控，从而采集分析释放的气体成分。分析结果显示，释放出来的气体成分主要包括：

• EMC：碳酸甲酯乙基酯
• DEC：碳酸二乙酯
• EC：碳酸乙烯酯
• Benzene：苯
• Toluene：甲苯
• Styrene：苯乙烯
• Biphenyl：联苯
• Acrolein：丙烯醛
• CO：一氧化碳
• COS：硫化碳酰
• Hydrogen fluoride：这是氟化氢

上述这些物质中，有些是气体，有些是挥发的液体。前三种物质是电解液本身挥发出来的，后面几种物质都是在热失控过程中形成的新物质。上面所有物质都已具有一定毒性的，在一定温度下都是可燃的。
传统消费类电池，电池材料为LiCoO2/C，2.1Ah软包电池，能量为7.7Wh。触发热失控后通过设备采集气体进行分析，得到表1结果。这里的气体成分包括：

• 一氧化碳、二氧化碳、氢气
• 甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、丁烷、异戊烷、异戊烷、己烷、乙烯、丙烯、苯、甲苯、苯乙烷

其中，在100%SOC和150%SOC下，体积含量最多的是一氧化碳、二氧化碳和氢气。主要成分是一氧化碳、二氧化碳和氢气，其余是烷烃、烯烃、苯等有机物，这些也可使可燃气体。工采网提供磷酸铁锂电池热失控检测的可燃气体传感器应用解决方案，包含可燃气体传感器TGS6812以及模块CGM6812、氢气传感器TGS2615，还有针对动力电池热失控时产生的CO检测传感器TGS5141等多类型传感器产品及完整解决方案。欢迎官网在线咨询技术工程师。
表1 气体成分

同时测量释放出来的气体的含量(表2)，从50%SOC到100%SOC，热失控后释放出来的气体含量增加了3倍多。在150%SOC，释放的气体含量达到了50%SOC下的7.5倍，一个小小的电池竟然可以释放出这么多的气体。
表2 气体含量

动力电池产品关乎用户的生命安全，其安全设计和要求在整个电池系统设计中处于最高优先级。