Page 18 - 《爆炸与冲击》2026年第9期

第 46 卷 李 刚，等： 锂离子电池环境的建构物泄爆研究 第 9 期

锂离子电池由于能量密度高、循环寿命长、成本低等优点，被广泛认为是具有发展潜力的储能装
[1]
置，但其安全问题也日益凸显 。锂离子电池在使用过程中可能因热滥用、机械滥用或电气滥用而触发
热失控 [2-3] 。根据国家消防救援局报道，2022 年因电池热失控引发的居民建筑物火灾达 3 242 起，较
[4]
2021 年增长了 17.3% 。
锂离子电池成品仓库、充电间、储能间、废弃电池储存间等相对密闭场所内的电池也有可能发生热
失控，这时喷射出的杂混物会导致所处建筑物存在爆炸风险。而泄爆措施通过预设薄弱环节，快速释放
建筑内因爆炸产生的超压，能大幅度降低意外的爆炸危害 [5-6] ，因此被广泛应用。根据国家标准《建筑设
计防火规范》 ，有爆炸危险的厂房或厂房内有爆炸危险的部位应采取泄爆措施。
[7]
目前人们对锂离子电池热失控机理的研究成果非常丰富，对热失控喷射物的成分及爆炸特性也有
较多报道 [3,8] 。Koch 等 [9] 利用气相色谱仪（GC-WLD 和 GC-FID）对 51 种镍钴锰电池（nickel cobalt
manganese, NCM）进行测试，发现 NCM 电池热失控后，锂离子电池热失控释放气体（battery vent gas, BVG）
中最常见的组分为 CO 、CO、H 、C H 、CH 并得到了它们的平均比例。Chen 等 [10] 发现锂离子电池热失
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控时随着气体也喷射出较多的黑色颗粒，经元素分析这些固体颗粒 79.37% 是碳，并且主要是 D 为 0 4 μm
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的石墨粉尘。Chang 等 [11] 研究了在密闭空间内，不同初始温度条件下 BVG 的爆炸特性，包括爆炸极限、
最大爆炸压力 p max 、最大压力上升速率 (dp/dt) ma x 和极限氧浓度（limiting oxygen concentration, LOC），发现
随初始温度的升高，爆炸下限变化不明显，爆炸上限增大，而 p 、(dp/dt) x 和 LOC 有不同程度的降低。
max ma
Zhou 等 [12] 测定了密闭空间内 BVG 与石墨粉尘所形成的杂混物的爆炸特性，发现在 BVG 体积浓度较小
时，杂混物的 p ma x 和 (dp/dt) ma x 较纯 BVG 爆炸有所上升，但在 BVG 体积浓度大于 0.8 当量浓度时，石墨粉
尘会抑制 BVG 的爆燃。Zhang 等 [13] 创新性地将细水雾与惰性气体耦合，构建了多物理场协同灭火系统，
实验数据显示该组合使锂离子电池热失控环境的火焰温度从 872℃ 降至 216℃。Zhou 等 [14] 在模拟密闭
容器中释放高压 CO 气体对 BVG 爆炸的抑制效果时，发现惰性气体射流能显著提高 BVG 在最低爆炸
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浓度下的爆炸特征。这些研究主要集中于密闭容器内锂离子电池热失控释放杂混物的爆炸特性及其抑
制的研究，对于密闭容器内部热失控喷射杂混物爆炸泄压研究尚未见诸报端。

Liang 等 [15] 研究发现在方形泄爆容器中，压力峰值与泄爆口径呈非线性关系，存在一个最佳泄压比，
能有效降低 90% 以内的峰压。朱文艳等 [16] 以甲烷-硝酸铵气粉两相杂混物为研究对象，发现容器内压
力-时间曲线出现双峰结构，表明高静态动作压力条件下压力特性发生变化。锂离子电池热失控释放可
燃物质属于杂混物，其所处建构筑的泄压比如何确定，在标准 [7] 中尚属空白，导致无法依据该标准计算
锂离子电池环境下建构物的泄爆面积。
综上，本文以 NCM 锂离子电池喷射杂混物作为研究对象，分析锂离子电池热失控释放的杂混物环
境的爆炸泄爆特性，探讨泄爆面积和泄爆装置开启压力对锂离子电池环境建构物泄爆压力的影响，并参
考规范 [7] 建立 LIBTR 环境建构物的泄爆面积计算公式，以期为锂电池环境建构物的泄爆设计提供依据，
并为制定相关安全规范和技术标准提供参考。

1 实 验

1.1 材料
根据标准 ANSI/CAN/UL 9540A:2019 [17] ，可

以预先配置 BVG 来测试其爆燃特性。考虑到研 表 1 NCM 锂离子电池热失控释放
气体典型组分及浓度 [9]
究结果的普遍适用性，使用 Koch 等 [9] 测试得到
的 BVG 成分及其体积分数作为本研究配气的依 Table 1 Typical components and concentrations of NCM
lithium-ion battery thermal runaway release gas
据 。 气 体 各 成 分 和 体 积 分 数 见 表 1， 其 中 由 于
气体种类 CO 2 CO H 2 CH 4 C 2 H 4
C H 和 6 C H 的体积分数不足 1%，故忽略不计，
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体积分数/% 37.3 28.9 22.7 5.4 5.7
并将其他主要气体进行归一化处理。
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