低压环境下锂离子电池电解液火灾烟雾不对称比研究

收稿日期:2023-04-23;修改日期:2023-05-19
基金项目:国家自然科学基金民航联合基金重点项目(U 2133201)作者简介:杨泽伟,中国科学技术大学硕士研究生,研究方向为火灾烟雾探测㊂
通讯作者:周勇,E -m a i l :y o n g
z @u s t c .e d u .c n
第32卷第4期2023年12月
火 灾 科 学
F I R ES A F E T YS C I E N C E
V o l .32,N o .4
D e c .2023
文章编号:1004-5309(2023)-0236-08
D O I :10.3969/j
.i s s n .1004-5309.2023.04.04低压环境下锂离子电池电解液火灾烟雾不对称比研究
杨泽伟,周 勇*,程旭东,全珈兴
(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,合肥,230026
)摘要:基于变压变氧浓度试验舱和气溶胶散射实验装置,探究了不同压力环境下电解液火灾烟雾不对称比的差异性,为飞机货舱电解液火灾烟雾与干扰气溶胶区分方法提供理论指导和数据支持㊂结果表明:环境压力会对电解液火灾烟雾浓度产生影响,随着压力的降低,电解液火灾烟雾浓度(即消光率)减小;对于电解液火灾烟雾的不对称比,随着压力的降低,不对称比先增大再减小,但是在405n m 波长下,电解液火灾烟雾的不对称比始终保持在9~
12之间,而干扰气溶胶的不对称比保持在3~6之间,二者之间差异性很大㊂基于此,提出了当不对称比值大于7时,是电解液火灾烟雾,小于7时,是干扰气溶胶的区分方法㊂关键词:低压环境;电解液火灾烟雾;消光率;不对称比中图分类号:X 932 文献标志码:A
0 引言
锂离子电池作为当前和未来储能的重要技术,随着其应用越来越广泛,航空运输也成了锂离子电池运输的可选择途径之一㊂然而由于锂离子电池本身存在很高的危险性,这将很大程度上影响航空运输的安全,尤其是它的重要组成部分 电解液,其作为稳定性较低的可燃液体,是导致航空运输锂离
子电池时火灾危险性偏高的关键因素[1]㊂同时,飞
机货舱的复杂环境
低压且多干扰源导致了飞机货舱火灾探测系统误报率一直处于较高水平,不仅容易造成重大损失,更会对航班的飞行安全产生威胁㊂目前在飞机货舱中所使用的主要是光电感烟探测器,其工作原理基于火灾烟雾对入射光的散射作用,而火灾烟雾的形貌特征㊁粒径分布和光散射特性又是影响探测器性能的关键参数㊂因此需要对低压环境下锂离子电池电解液的光散射特性展开研究,
提出适用于飞机货舱的电解液火灾烟雾和干扰气溶胶区分方法㊂
目前,国内外学者对飞机货舱火灾探测进行了
大量研究,W i t t k o p p 等[2
]提出了一种适用于飞机货
舱的基于计算机成像系统探测火灾的方法,并在一个典型的飞机货舱模型中进行了实验验证,通过摄像机监控货舱火灾情况,并利用计算机设备实时捕捉视频流,该方法不仅可以满足火灾探测,也可以在
非火灾情况下作为监控设备;B u r r e s i 等[3]在光电感
烟单一火灾探测器的基础上,引入C O 传感器和温度传感器,将C O 浓度与温度作为火灾探测的标准量,提出了多传感器的复合火灾探测方法;宋广韬[
4]以18650型锂离子电池为研究对象,
通过研究18650型锂离子电池的燃烧行为,得到了其燃烧过程中释放的气体特性,并以此为基础提出适用于飞
机货舱的锂离子电池火灾的气体探测技术;K a r p [5]提出了基于粒径差异利用470n m 和850n m 两种
光源对烟雾颗粒进行有效识别,从而降低误报率的
探测方法,研究结果表明,一般的火灾烟雾小于1μm,而干扰源大于1μm;何永勃等[6]基于C O和温度传感器以及双波长光电感烟探测器的复合探测
系统,提出了飞机货舱复合火灾探测方法,通过采集
各传感器火灾过程中的特征参数,利用人工神经网
络算法融合分析,最终发现新型的复合火灾探测器
可以有效降低飞机货舱火灾误报率;郑荣[7]通过不对称比的理论分析,利用数值计算的方法对不同火灾烟雾和干扰气溶胶的散射特性进行了分析,最终开发了用于区分火灾烟雾和干扰气溶胶的双波长㊁双散射角的烟雾探测原理样机;李聪等[8]根据飞机货舱中粉尘等干扰源容易造成误报的问题,提出一种使用双波长㊁双散射角的火灾探测方法,采用波长为405n m和870n m的两种光源在前向45ʎ和后向135ʎ测得的散射不对称比有效区分18650型锂离子电池火灾烟雾和干扰气溶胶㊂
对于火灾烟雾的光散射特性,国内外学者也开
展了大量研究㊂W e i n e r t等[9]基于波长为632.8n m 的氦氖激光光源,在5ʎ~135ʎ的散射角范围内,测量给出了燃烧和非燃烧火灾产生的烟雾颗粒以及干扰气溶胶的微分质量散射截面,并利用前向散射对小粒径颗粒和大粒径颗粒进行了区分;乔利锋[10]对原有M u l l e r矩阵测量系统进行改进,研究颗粒光散射矩阵的不同元素随散射角的变化,并以此来对比不同颗粒粒径大小和形貌特征等性质的差异,从而对不同颗粒进行区分;J u rán y i等[11]基于M i e散射理论,提出了利用两个不同波长下的散射光对气溶胶粒子进行区分的方法,并对其进行了理论和实验验证,结果表明利用两种波长(可见光到红外光)散射光强的比值对其进行区分,发现水滴的散射光强比粒径在2μm~20μm范围内的灰尘颗粒至少高9倍(平均70倍);施志成等[12]以锂离子电池电解液为研究对象,开展了双波长㊁双散射角的光学散射实验,最终提出利用850n m波长下的不对称比变化率和平均值对电解液火灾㊁其他火灾和干扰源进行区分㊂
综上所述,前人对飞机货舱的火灾探测和火灾
烟雾光散射特性都开展了大量研究,提出了图像探
测,复合探测,双波长㊁双散射角的光电感烟探测等
多种探测方法㊂然而,锂离子电池电解液作为锂盐
和多种有机溶剂的复杂混合物,其燃烧特性与火灾
烟雾特性相比标准火更为复杂,基于上述方法的飞
机货舱火灾探测是否适用于电解液目前还未有人研究㊂并且,在上述飞机货舱探测方法的研究中,并未有学者考虑飞机货舱的低压复杂环境㊂基于此,本文利用气溶胶散射实验装置和变压变氧浓度试验舱,开展了低压环境下电解液火灾烟雾的光学散射实验,根据实验结果提出适用于飞机货舱的电解液火灾烟雾与干扰气溶胶的区分方法,为飞机货舱火灾探测抗干扰技术提供理论指导和数据支持㊂
1实验设计
1.1实验装置
实验装置主要包括两部分,分别为气溶胶散射实验装置和变压变氧浓度试验舱,如图1和图2所示
㊂
图1气溶胶散射实验装置
F i g.1A e r o s o l s c a t t e r i n g e x p e r i m e n t f a c i l i t
y
图2变压变氧浓度试验舱
F i g.2V a r i a b l e p r e s s u r e o x y g e n c o n c e n t r a t i o n t e s t c h a m b e r
气溶胶散射实验装置根据S A E8036A中干扰气溶胶的具体测试方法搭建而成,主要包括燃烧室㊁烟密度计㊁环形通道㊁探测器模型㊁数据采集系统五个部分㊂燃烧室主要用于电解液火灾烟雾的产生;烟密度计主要用于火灾烟雾浓度的测试,用消光率来表示,单位为%/m;环形通道是整个气溶胶散射实验装置的重要组成部分,主要用于在其内部形成
732
V o l.32N o.4杨泽伟等:低压环境下锂离子电池电解液火灾烟雾不对称比研究
稳定的烟雾流场;探测器模型决定了所选光源的波
长和前后向散射角度;数据采集系统主要用于消光率和前后向散射信号的采集;根据前人研究和数值模拟结果,本文实验所选光源波长为405n m 和
850n m ㊂
由于初始时刻光电二极管放大器就有数据显示,该值被称为背景信号,因此在计算不对称比时,要消除背景信号的干扰,如式(1
)所示:A R =I 实(45ʎ)-I 初(45ʎ)I 实(135ʎ)-I 初(
135ʎ)(1)式中:I 实为实际散射信号值,I 初为背景信号值㊂
变压变氧浓度试验舱由杭州志在材料科技有限公司在2018年3月制作完成㊂该实验平台主要用于模拟飞机起飞和降落过程中环境压力的变化,可用于开展压力与氧气浓度耦合条件下的变压变氧实验㊂
1.2 实验内容
本文所选研究对象为南京莫杰斯能源科技有限公司生产的三种典型的六氟磷酸锂(L i P F 6)
电解液,分别为:1m o l /LL i P F 6+E
C /
D
E C (1ʒ1)v /v ;1m o l /LL i P
F 6+E
C /
D M C (1ʒ1)v /v ;1m o l /L L i P F 6+E
C /
D
E C /D M C (1ʒ1ʒ1)v /v /v ㊂选用直径为7.5c m 的耐高温燃烧皿盛放电解液,并用量程为10m L 的烧杯量取电解液,选取电解液实验用量为20m L ,点燃电解液的方式为点火器引燃㊂实验工况选取405n m 和850n m 两种波长的
光源,选取压力环境为101k P a ㊁80k P a ㊁60k P a 和
40k P a
㊂准备完成后,关闭变压变氧浓度试验舱的舱门,通过控制面板调整目标压力设定为实验工况值;操作电脑端开始采集烟密度数据和信号放大器数据;利用遥控器控制射频无线点火模块远程点燃电解液,燃烧过程中通过变压变氧浓度试验舱的观察窗和烟箱的侧窗时刻观察电解液燃烧的状态;待电解液燃烧结束熄灭后,通过控制面板对舱内升压,直至压力与外界大气压相等后打开舱门;接着打开气溶胶散射实验装置的气泵,借助小型气泵将电解液火灾烟雾排出环形通道,等待烟密度计和信号放大器数值恢复到实验前停止数据采集,并将数据保存;打开燃烧室的门,取出燃烧皿并清洗擦干,等待环形通道冷却至室温即可开始下一组实验,同一工况实验重复三次㊂
2 结果与讨论
本文利用气溶胶散射实验装置和变压变氧浓度
试验舱对不同压力环境下三种类型的锂离子电池电
解液火灾烟雾光散射特性进行了研究㊂
2.1 消光率
图3所示为三种电解液火灾烟雾在不同压力环境下的消光率随时间的变化曲线㊂从图3中可以明显看出,不同压力环境下,三种电解液火灾烟雾的消光率随时间变化趋势保持一致,均表现为先增大后减小;且整条曲线的对应阶段也与常压实验结果基本一致㊂但是通过观察数据图发现,低压环境的消光率曲线在后半段会出现一个小幅度的升高,经过分析认为出现该现象是由于变压变氧浓度试验舱在进气过程中的压力差引起的㊂
图4所示为消光率峰值随压力的变化曲线,从图4中可以看出,不同类型的电解液消光率峰值随压力变化趋势不同㊂E C -D E C 的消光率峰值随压力降低呈现单调递减的趋势;E C -D E C -D M C 的消光率峰值从101k P a 到80k P a 保持稳定,从80k P a 开始随压力降低呈现明显的单调递减趋势;E C -D M C 的消光率峰值从101k P a 到60k P a 基本保持稳定,
从60k P a 到40k P a 有显著的减小趋势㊂透过这种现
象本文认为低压对不同电解液消光率峰值的影响是有差异的,对E C -D E C ,80k P a 的环境就开始影响消光率的大小;对E C -D E C -D M C ,60k P a 的环境开始影响;对E C -D M C 是从40k P a 开始才有显著变化㊂
因此,从整体趋势上来看,随着压力的降低,消光率的峰值也在减小,这说明压力环境的改变将影响电解液火灾烟雾的产烟特性㊂
2.2 不对称比
不对称比是指前向散射信号与后向散射信号的比值㊂根据不对称比的物理意义和计算公式,利用采集到的前后向散射信号值完成三种电解液不同压力环境下的不对称比计算㊂由于在实验过程中电解液火灾是动态发展的,生成的火灾烟雾状态并不稳定,导致电解液火灾烟雾颗粒浓度分布和粒径分布
在时刻变化,因此得到的不对称比也是不稳定的㊂
从实验结果来看,在火灾发生早期,由于电解液火灾烟雾形成较少,前后向散射信号相对较小,而不对称比值变化较大,与电解液火灾烟雾真实散射特性有较大区别,故引入相对标准差R S D 来判断不对称比的有效性,相对标准差计算公式如下:
R S D =
ðN
i -1(
A R i -A R )2
N -1A R
ˑ1
00(2
)832火灾科学 F I R ES A F E T YS C I E N C E 第32卷第4期
图3 三种电解液火灾烟雾在不同压力环境下的消光率
F i g .3 E x t i n c t i o n r a t e o f e l e c t r o l y t e f i r e s m o k e u n d e r d i f f e r e n t p
r e s s u r e e n v i r o n m e n t
s 图4 三种电解液火灾烟雾消光率峰值随压力变化曲线F i g .4 E l e c t r o l y
t e f i r e s m o k e e x t i n c t i o n p e a kw i t h p r e s s u r e c u r v e 式中:N 为不对称比数据个数,A R 为N 个不对称比的平均值,A R i 为所选取的N 个不对称比第i 个值㊂
在本文计算不对称比相对标准差时选取N 为
5㊂只有当R S D 值低于某一水平时,才认为当前不对称比的值比较稳定,具有实际意义㊂本文选取
R S D 阈值为0.05,即选取相对标准偏差低于0.05时对应的不对称比作为该种电解液的不对称比㊂不
同压力环境下,三种电解液火灾烟雾在405n m 和
850n m 两种波长下的不对称比曲线如图5和图6
所示㊂
通过观察图5和图6发现,低压环境不对称比随时间变化的趋势与常压环境基本保持一致,这说明压力环境的改变并不会影响不对称比的变化趋势,但是,通过坐标轴的数值可以看出,不同压力环境下不对称比的数值是有所改变的,接下来将对不
9
32V o l .32N o .4
杨泽伟等:低压环境下锂离子电池电解液火灾烟雾不对称比研究
图5 405n m 波长下三种电解液火灾烟雾在不同压力环境下的不对称比
F i g .5 A s y m m e t r i c r a t i o o f e l e c t r o l y t e f i r e s m o k e u n d e r d i f f e r e n t p r e s s u r e c o n d i t i o n s a t 405n mw a v e l e n g
t
h 图6 850n m 波长下三种电解液火灾烟雾在不同压力环境下的不对称比
F i g .6 A s y m m e t r i c r a t i o o f e l e c t r o l y t e f i r e s m o k e u n d e r d i f f e r e n t p r e s s u r e c o n d i t i o n s a t 850n mw a v e l e n g
t h 042火灾科学 F I R ES A F E T YS C I E N C E 第32卷第4期
对称比的数值进行具体分析㊂
根据R S D 的阈值,将R S D 小于5%的不对称
比值进行提取㊂以不对称比的四分位数(即1/4~
3/4)为分界值可以使其更具有代表性,因此绘制了E C -D E C ㊁E C -D E C -D M C ㊁E C -D M C 三种电解液在两种波长和不同环境压力下的不对称比箱体图,如图7所示,其中箱体范围为25%~75%的不对称比数据㊂本文发现对同一种电解液,不同压力环境下均存在A R (405n m )>A R (850n m )
的情况,这与前人的研究结论[7
]一致:整体上火灾烟雾在短波长
下的不对称比要相对较大㊂同时还发现在电解液和波长均不变的情况下,不对称比范围随着压力的降低先增大再减小,所以在80k P a 压力环境下存在不对称比范围的极大值,分别为405n m 波长下:E C -
D E C :10.86~12.08(11.23);E C -D E C -D M C :10.49~
11.15(10.69);E C -D M C :11.40~12.05(11.70);850n m 波长下:E C -D E C :7.28~9.63(9.10);E C -D E C -D M C :7.88~9.77(9.32);E C -D M C :4.53~7.74(6.77
)
㊂图7 两种波长下三种电解液火灾烟雾在不同压力环境下的不对称比范围
F i g .7 A s y m m e t r i c r a t i o r a n g e o f e l e c t r o l y t e f i r e s m o k e u n d e r d i f f e r e n t p r e s s u r e c o n d i t i o n s a t t w ow a v e l e n g
t h s 由于粉尘干扰气溶胶和水雾干扰气溶胶在不同
压力环境下不会发生太大改变,因此低压环境下的颗粒特性与常压环境基本保持一致,故本文直接参
考前人测量得到的干扰气溶胶不对称比结果[13],与
不同压力环境下的电解液火灾烟雾不对称比进行比较分析,如图8所示㊂
通过图8可以明显看出,在405n m 波长下,
E C -D E C ㊁E C -D E C -D M C 和E C -D M C 三种电解液火
灾烟雾不同压力环境下的不对称比范围均大于干扰气溶胶,且数值之间相差较大,三种电解液不同压力环境下的不对称比集中在9~12之间,而干扰气溶胶的不对称比范围则集中在3~6之间;因此取干扰气溶胶不对称比范围的最大值和电解液火灾烟雾不对称比范围的最小值的平均值7为判断阈值,从而对电解液火灾烟雾和干扰气溶胶进行区分㊂而在850n m 波长下,对于E C -D E C 电解液,
101k P a 到60k P a 的不对称比范围与中位数均大于干扰气溶胶,而40k P a 时不对称比范围与干扰气溶胶有重合部分,但是不对称比的中位数均表现为大
于干扰气溶胶,故无法将二者进行区分;对于E C -
D E C -D M C 电解液,101k P a 和40k P a 时,
不对称比范围与干扰气溶胶有重复部分,故也无法将二者进行区分;对于E C -D M C 电解液,4种压力环境下的不对称比范围均与干扰气溶胶重复,故也无法将二者进行区分㊂
综上所述,无论电解液火灾烟雾发生在常压还是低压环境下,均可选用405n m 波长下的不对称比将电解液火灾烟雾与干扰气溶胶进行有效区分,设定判断阈值为7,大于7的,为电解液火灾烟雾;
小于7的,为干扰气溶胶㊂
3 结论
本文利用气溶胶散射实验装置和变压变氧浓度试验舱对不同压力环境下,三种电解液光学散射特性的变化规律进行了研究㊂得到了以下主要结论:(1
)从整体趋势上来看,随着压力的降低,消光率的值也在减小,这说明压力环境的改变将影响电解液火灾烟雾的浓度㊂
1
42V o l .32N o .4
杨泽伟等:低压环境下锂离子电池电解液火灾烟雾不对称比研究
图8两种波长下三种电解液火灾烟雾在不同压力环境下的不对称比范围
F i g.8A s y m m e t r i c r a t i o r a n g e o f e l e c t r o l y t e f i r e s m o k e u n d e r d i f f e r e n t p r e s s u r e c o n d i t i o n s a t t w ow a v e l e n g t h s
(2)随着压力的降低,电解液火灾烟雾的不对称比先增大再减小,但是405n m波长下的不对称比始终保持在9~12之间,而干扰气溶胶405n m下的不对称比保持在3~6之间,因此可以利用其与干扰气溶胶进行有效区分,提出了当不对称比值大于7时,是电解液火灾烟雾;小于7时,是干扰气溶胶的区分方法㊂
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t e u n d e r l o w p r e s s u r e e n v i r o n m e n t Y A N GZ e w e i ,Z H O U Y o n g ,C H E N GX u d o n g ,Q U A NJ i a x i n g
(S t a t eK e y L a b o r a t o r y o f F i r e S c i e n c e ,U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y o
f C h i n a ,H e f e i 230026,C h i n a )A b s t r a c t :T h i s p a p e r i n v e s t i
g a t e s t
h e d
i f f e r e n c e o f e l e c t r o l y t e f i r e s m o k e a s y m m e t r y r a t i o u n d e r d i f f e r e n t p
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e x p e r i m e n t a l d e v i c ew e r e u s e d .T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e a m b i e n t p r e s s u r e a
f f e c t s t h e c o n c e n t r a t i o n o f e l e c t r o l y
t e f i r e s m o k e ,a n d t h e c o n c e n t r a t i o n o f e l e c t r o l y t e f i r e s m o k e (i .e .,e x t i n c t i o n r a t e )d e c r e a s e s a s t h e p r e s s u r e d e c r e a s e s ;f o r t h e a s y m m e t r y r a t i o o f e l e c t r o l y t e f i r e s m o k e ,t h e a s y m m e t r y r
a t i o i n c r e a s e s a n d t h e nd e c r e a s e s a s t h e p r e s s u r e d e c r e a s e s ,h o w e v e r ,a t 405n m ,t h e a s y m m e t r y r a t i oo f e l e c t r o l y t e f i r e s m o k ea l w a y s r e m a i n s
b e t w e e n9a n d12.I n
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c e b e t w e e n t h e t w ow a s s i g n i f i c a n t .B a s e
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w o r d s :L o w -p r e s s u r e e n v i r o n m e n t ;E l e c t r o l y t e f i r e s m o k e ;E x t i n c t i o n r a t e ;A s y m m e t r y r a t i o 3
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杨泽伟等:低压环境下锂离子电池电解液火灾烟雾不对称比研究。