R.STAHL小课堂 | 锂离子防爆电池

数字革命(工业物联网)的到来为化学加工和石化行业降低成本和提高系统效率开辟了新的途径。为了全面整合互联数字技术，系统人员必须使用平板电脑和智能手机等合适的便携式IT设备。由于与爆炸性环境相关的高风险，必须评估这些移动设备的安全性，尤其是它们的电池。

IEC/EN 60079系列规定了与用于危险区域的设备相关的要求，因此包括电池和电池组——这些要求根据所讨论的保护类型而有所不同。为了使所用术语标准化，IEC/EN 60079-0 第7版：“设备-一般要求”，将电池描述为一个基本的功能单元，由电极、电解质、外壳、端子和通常的隔板组成，是通过化学能的直接转换获得的电能来源。另一方面，电池组由一个或多个电池单元组成，也可能在特殊情况下包含监控设备。IEC/EN 60079-0的第23节有两个表格，一个用于一次(不可充电)电池，一个用于二次(可充电)电池，列出了不同类型锂离子电池允许的电池化学成分。本标准还描述了具有相同电池化学物质的电池或电池组的使用，这些电池或电池组仅串联连接。根据该标准，如果提供更换的话，电池或电池组必须总是用相同类型的电池或电池组进行更换。仅串联连接电池或单体电池使其在工业卡车中的使用更加困难，因为尽管电压相对较低，工业卡车仍需要成倍千瓦时的能量。

IEC/EN 60079-2的附录G --正压柜（箱）的保护标准，描述了电池和电池组的使用。“正压柜（箱）”类型的保护可防止操作过程中形成爆炸性环境。这里，符合IEC/EN 60079-11标准的短路测试尤为重要。

IEC/EN 60079-11是一项关于“本安型”保护的标准，这里面非常清楚和详细地规定了与电池和电池组相关的要求。该标准提示说，某些类型的锂离子电池在短路时可能会爆炸。该标准还描述了外部短路电阻仅为3mΩ的短路测试。在该测试中，电池不得受到外部电路的保护。任何外部电路，有时安装在一个外壳内，必须删除。电池内部可能有保护机制，但这些机制通常会导致电池衰竭。

这些测试对机械、发热和电气问题进行了区分。适当的措施可以用来保护电池和电池组。

图3:显示阻抗的奈奎斯特图。

锂离子电池在消费电子产品和运输应用中的使用非常广泛，并且产量巨大，种类繁多。涉及锂离子电池的意外事件可能会发生，并且有多种原因。温度是热失控的一个重要原因，并可能引发一个因果链，最终会对人身安全造成威胁(图4)。

• 放热反应发生在阳极；当电池温度升高时，这些反应可以在没有进一步输入的情况下进行。它们包括SEI(固体电解质界面)与粘合剂的分解、嵌入的锂与电解质的反应以及粘合剂与来自其它分解反应的分解产物之间的反应。

  
  

• 阴极材料在充电过程中脱锂，降低了其稳定性。

举例来说，根据故障场景发生的可能性对故障场景进行分类可以如下所述来实现。过度放电和深度放电导致的临界状态可视为罕见故障。电池管理系统(BMS)监控充电和放电过程，防止类似情况发生。如果BMS出现故障，可以通过自我诊断的方式进行检测，并采取必要的安全措施(如关闭设备)。

• 电池受到持续电压的影响，不能断电。因此，在危险区域不能简单地打开外壳。

• 在热失控的情况下，电池产生气体，这将增加密封外壳中的压力。初步测试表明，预计每 Ah 2 dm³。在用隔爆外壳进行的测试中，这导致外壳破裂。

• 在内阻较低的电池中，即使在低电压下也可能出现导致火灾的火花(如果设备意外掉落在地面上，电池掉出）。

• 便携式设备正常使用过程中因静电放电引起的点火 风险必须消除。

爆炸标准中规定的要求之一是在外部短路的情况下确定电池的温度。许多标准规定外部短路电阻为80mΩ，而EN/IEC 60079-11规定为3mΩ。因为短路测试是在由电池的内部电阻(R1)和外部短路电阻(R2)串联组成的电路上进行的(图6)，电池的能量只有在R1»R2电池中才能转换。

图6:显示外部短路的等效电路图

电池储存的能量通过电荷乘以电压来计算，如下所示:

得到：

图7:带有已准备好进行短路测试电池的防爆试验箱

电池没有经历热失控，但是由于内部气体产生而过度膨胀。

过度充电电池会导致另一个临界状态。图10显示了电池组件的温度特性。当电池4 (Z4)开始过度充电时，温度开始持续上升，从大约80°C的温度开始，电池开始经历热失控，导致温度突然跃升至500°C。这导致电池破裂，气体逸出并引起爆燃[6]。

图10:具有热失控的充电测试期间的温度行为(电池4)

为确保锂离子电池安全运行，必须监控运行条件，以最大限度地降低事故风险。防爆标准中没有明确规定这一要求。为了防止过度充电或充电不足，锂离子电池只能在规定的电压范围内工作。由于锂离子电池的低内阻，非常高的电流能够流动；该电流可以比工作电流大很多倍。电池的使用寿命/SOH会受到温度和过载等因素的影响。

绿色区域是延长电池使用寿命(SOH)的使用范围，而黄色区域是电池的工作窗口。温度是指环境温度和电池在工作期间的自发热；假定最高温度为60°C，最高环境温度应远低于此值。此外，除非电池的初始化学反应已经启动，否则电池仍然无法运行。

电池管理系统(BMS)负责监控相关参数，以确保电池处于安全运行状态。这些参数包括电池的电压和电流值及其温度状况。BMS是所有手机和平板电脑不可或缺的一部分。必须评估其作为安全装置的适用性，以确保防爆装置在其整个使用寿命期间安全运行。