前言

锂离子电池热失控卐过程会产生由多种可燃组分构成々的混合气体，这种热解气一旦被点燃会出现不可控的严重后果。测定锂电◤池热失控产气的爆炸极限与极限氧浓度，可为储⊙能电站等爆炸性环境的氧浓度控制提供理论依据，有效预防爆炸和火灾事故；也可为地下车库等应用场景的通风设计提供数据支①持，提高公共安全性。

2021年1月12日上午6时23分（韩国当地时间）蔚山南区SK能源公司发生【火灾, 一幢三层电池储能大楼被烧毁

本次实验选择应用于储能站的265Ah磷酸铁锂电芯，通过人工配气模↓拟其热失控所产生的混合气体，并使〖用仰仪科技HWP21-30S型爆炸极№限试验仪进行产气爆炸特性研究。实验结果表明，常温常压下电池产气的爆炸下限（LEL）为6.80%，爆炸上限（UEL）为40.63%，极限氧浓度（LOC）为7.50%。

实验部分

1. 样品准备

（1）氮气：纯度不低于99.8 %（体积分数）。

（2）待测混合气体：成分比例如下图，用以模拟磷酸铁锂电芯热失控所产生的混合气体。

图1 混合气体组分含量

2. 实验条件

实验仪器：仰仪科技HWP21-30S爆炸极限试验仪

试验模式：气体试样试验

容器体积：5L

环境压力：101.29kPa

搅拌时间：5min

点火温度：20℃

二次控温：是

图2 (a) HWP21-30S爆炸极限试验仪; (b) 实验装置现场图

3. 测试方法

（1）爆炸极限测定

参见GB/T 21844-2008 化合物(蒸气和气体)易燃性浓度ぷ限值的标准试验方法；GB/T 12474-2008空气中可燃气体爆炸极限测定方法。

（2）极限氧浓度测定】

参见GB/T 38301-2019可燃气体或蒸气极限氧╲浓度测定方法。

实验结果

1. 燃烧判定标准

根据GB/T 21844-2008 化合物(蒸气和气体)易燃性浓度限值的标准试验方法◤中提到的火焰的传播的定义：在本试验中，火焰前沿从点火源向■上或向外到达器壁或至少离器壁13mm处的运动过程。向外扩散运动说明火焰前沿存在水平分量。

图3 待测混合气︻体被点燃的判定标准

注：距离器壁13mm处用红色圆圈表示。

2. 爆炸极限实验结果

（1）爆炸下限

进行爆炸下限测试时，测得最接近火焰传播和火焰▲不传播时的实验效果如实验◣录像1所示，可以计算爆炸下●限LEL=0.5×(6.526+7.077)%=6.80%。

实验录像1 (a) 火∞焰不传播XTS =6.526%; (b) 火焰传播XTS =7.077%

（2）爆炸上限

进行爆炸上限测试时，测得最接近火焰传播和火焰不传播时的实验效果如下，可以计算『爆炸上限UEL=0.5×(41.043+40.225)%=40.63%。

实验录像2 (a) 火焰不传播XTS =41.043%; (b) 火焰传播XTS  =40.225%

3. 极限氧浓度实验结果

极限氧浓度可利用三元图进行分析，根据GB/T 38301-2019，当UEL≤ 0.8 × (100-Xair，L)，适用▓简易实验程序。

图4 电池产气极限氧浓度三元图

如图4所示，通过▼程序实验逐步确定爆炸区顶点空气≡体积分数（Xair，L），并测定0.8倍顶点惰性气体体积分数（0.8 Xin，L）的混合气体爆炸㊣极限，以验证极限空气浓度LAC位于爆炸区顶点，此时：

LAC= Xair，L = 35.89％

随后可通过公式◥计算混合气体的极限氧浓度：

LOC= LAC×0.209 =7.50％

待测混合气体的三元图既可以确定极限氧浓度，也可以表征爆炸区范围，反映电池产气╳的爆炸区临界浓度分布规律。

结论

本文利用爆炸极限试验仪测定了大容∩量磷酸铁锂电池单体热失控产气的极限氧浓度。以该数♂据为基础，通过提高惰性气体浓度或降低氧浓度进行抑爆设计，可以有效预防爆♂炸风险，提高储能电站等应用场景的安全性。