電池安全研究不僅要關(guān)注如何防止電池?zé)崾Э兀瑫r(shí)要研究熱失控的詳細(xì)特征。以往的電池?zé)崾Э匮芯繉崃酷尫藕蜏囟妊芯枯^多，對熱失控過程氣體釋放和產(chǎn)生的顆粒物研究較少。特別是電池?zé)崾Э剡^程產(chǎn)生的顆粒物，目前從了解的情況看僅有美國和日本的相關(guān)人員給予了關(guān)注和研究，國內(nèi)關(guān)注的很少。來自NASA的E.JosephNemanick等人首次詳細(xì)研究了LiCoO2/NMC18650電池在不同氣氛下加熱導(dǎo)致的熱失控行為，并重點(diǎn)分析了熱失控產(chǎn)生的顆粒物，揭示了顆粒物可能帶來的危害。該報(bào)告題為Li-ion18650ThermalRunawayParticulateAnalysis，具有極高的學(xué)習(xí)和參考價(jià)值，值得好好看看。

一．實(shí)驗(yàn)所用電池及測試條件

NASA電池安全研究：18650電池不同氣氛熱失控顆粒物成分分析

實(shí)驗(yàn)所用的18650電池為三星生產(chǎn)，LiCoO2/NMC體系，電池容量2.6Ah。電池表面纏縛加熱帶，通過加熱方式觸發(fā)電池發(fā)生熱失控。

電池加熱熱失控實(shí)驗(yàn)室在密閉罐體中進(jìn)行，測試前電池均為滿充態(tài)。實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了三組，分別在普通大氣、23.5%O2/76.5%N2和真空環(huán)境中進(jìn)行。之所以考察電池在三種不同氣氛中的熱失控結(jié)果主要是更好的模擬空間站中可能發(fā)生的情況。

二．三種不同氣氛下的電池?zé)崾Э剡^程

NASA電池安全研究：18650電池不同氣氛熱失控顆粒物成分分析

在普通大氣氛圍下，18650電池先開閥噴出電解液蒸汽，隨后電解液被引燃同時(shí)伴隨著大量火星的噴射。待熱失控結(jié)束后可在罐壁上觀察到灰色和黑色的顆粒物。

NASA電池安全研究：18650電池不同氣氛熱失控顆粒物成分分析

18650電池在23.5%O2/76.5%N2氣氛下的熱失控情形同在正常大氣環(huán)境中的熱失控情形類似，唯一區(qū)別在于該氛圍下電池?zé)崾Э剡^程更為猛烈，可觀察到大量的火星噴射。

NASA電池安全研究：18650電池不同氣氛熱失控顆粒物成分分析

相反，真空環(huán)境下電池的熱失控過程相對溫和，并未出現(xiàn)電解液蒸汽的引燃過程，同時(shí)火星的噴射相對較弱。

三．顆粒物成分分析

熱失控結(jié)束后的顆粒物為黑色塊狀，并且具有一定的磁性，SEM結(jié)果顯示顆粒物的形狀不規(guī)則。從顆粒粒徑分布看，絕大多數(shù)顆粒的粒徑小于5μm，并且顆粒的粒徑分布同三種環(huán)境氛圍幾乎沒有太大關(guān)系。

值得注意的是在18650電池在真空環(huán)境下熱失控會(huì)產(chǎn)生大量的鋁纖維，且在現(xiàn)象在正常大氣氛圍和23.5%O2/76.5%N2氛圍下均未觀察到此現(xiàn)象。EDX分析顯示鋁纖維表面能檢測到相當(dāng)量的C元素及少量的Co元素。

EDX分析顯示三種不同氛圍下18650電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的顆粒物元素成分相差不大，但正常大氣和23.5%O2/76.5%N2氣氛下產(chǎn)生的顆粒物pH值均為堿性，唯獨(dú)真空氛圍下的顆粒物呈中性。正常大氣和23.5%O2/76.5%N2氣氛下產(chǎn)生的堿性顆粒物對人眼和肺都存在危害性。

NASA電池安全研究：18650電池不同氣氛熱失控顆粒物成分分析

隨后，作者還對顆粒物在加熱條件下的失重進(jìn)行了分析。正常大氣、23.5%O2/76.5%N2和真空氣氛下電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的顆粒物加熱失重分別為4%、5.74%和10.43%，表明真空環(huán)境下由于缺氧熱失控過程有機(jī)物的燃燒過程并不充分。

對顆粒物進(jìn)行GC-MS分析，產(chǎn)物中能檢測到氟代化合物和磷代化合物，作者認(rèn)為是電解液中鋰鹽部分分解的產(chǎn)物。在顆粒物的揮發(fā)物中則檢測到各種酚類物質(zhì)和芳香族化合物，這兩類物質(zhì)均對人體有害，或許這也是電池?zé)崾Э睾螽a(chǎn)生的顆粒物刺激性氣味很濃的原因。

四．小結(jié)

從以上NASA的研究結(jié)果看電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的顆粒物絕大多數(shù)粒徑小于5μ，并且顆粒物上伴隨中多種有機(jī)和無機(jī)組分，正常大氣氛圍下產(chǎn)生的顆粒物pH值甚至為強(qiáng)堿性。電池安全工程師和測試人員常年和這些顆粒物打交道，應(yīng)最大限制做好防護(hù)措施，以免顆粒物對人生造成傷害。