与锂离子电池热失控后释放的气体相关的H?/CO/CH?/CO?/空气混合物的层流燃烧速度及贫燃极限

《Results in Engineering》：Laminar burning velocities and lean flammability limits of H 2/CO/CH 4/CO 2/air mixtures associated with gases vented out Li-ion batteries after thermal runaway

本研究通过复杂化学模拟，探究了H2/CO/CO2/CH4/空气混合物在不同当量比和摩尔分数下的层流火焰速度及燃限，发现CO浓度影响较小，而添加甲烷比二氧化碳更能降低火焰速度，表明甲烷具有更强的阻燃效果。即使CO2含量高达65%，仍存在火灾风险。

　　锂离子电池（Li-Ion Battery, LIB）技术作为可持续发展的关键工具，为清洁能源和高效能源利用提供了重要支持。这种电池以其高能量密度、轻便和长寿命等优点被广泛应用于各个领域，包括小型设备如手机和笔记本电脑，以及大型系统如汽车、飞机和船舶。然而，这种高能量密度同时也带来了安全隐患。电池在受损后，可能会释放出可燃气体，例如二乙基碳酸酯或碳酸二甲酯等电解质，从而引发火灾风险。此外，电池因热滥用、电滥用、内部短路或机械损伤等故障而发生的内部放热反应，会导致可燃气体的生成和电池温度的上升，进而引发热失控。这些反应释放出的预热可燃气体混合空气后，可能引发喷射火焰甚至爆炸，对周围环境构成严重威胁。

随着LIB在全球范围内的广泛应用，由于电池故障引发的火灾事件也显著增加。例如，文献中提到的表格2和表格3，展示了电池故障导致的火灾案例数量。因此，加强LIB火灾安全的研究显得尤为重要。最近的综述文章指出，安全问题是LIB在大规模应用中的主要障碍，如电动汽车和储能系统。然而，目前对LIB喷出气体所引发火焰的全面建模研究仍不充分。

本研究旨在通过复杂化学模拟，探讨LIB喷出气体中不同组分对燃烧特性的影响。研究对象是氢气、一氧化碳、二氧化碳和甲烷等组成的混合气体。模拟采用三种先进的化学机制和考虑Soret效应的多组分扩散模型，研究了不同等当比和气体组分摩尔分数对层流火焰速度以及贫燃极限的影响。研究结果表明，氢气与一氧化碳的混合气体中，一氧化碳的摩尔分数对层流火焰速度和贫燃极限的影响较小。而当向氢气/一氧化碳混合气体中添加甲烷时，层流火焰速度和贫燃极限的变化更为显著，反之，添加二氧化碳时变化则较弱。这一现象表明，在特定条件下，燃料（如甲烷）可能比稀释剂（如二氧化碳）更有效地降低火焰传播速度，从而减少火灾风险。

此外，研究还发现，即使在电池喷出气体中存在大量二氧化碳，如65%的体积分数，也不能排除火灾的可能性。这一结果对火灾风险评估具有重要意义，因为传统观点可能低估了二氧化碳在混合气体中的潜在影响。研究中采用的模拟方法涉及预混燃烧火焰的数值计算，使用了CHEMKIN-II软件包中的PREMIX模块。通过调整不同温度条件下的等当比和气体组分，研究探讨了混合气体在不同环境下的燃烧特性。

在研究过程中，特别关注了氢气与一氧化碳混合气体的燃烧特性。通过模拟不同摩尔分数的混合气体，研究发现，氢气的摩尔分数变化对层流火焰速度和贫燃极限有显著影响。然而，当添加一氧化碳时，其对火焰速度的影响相对较小，尤其是在贫燃混合气体中。这一现象可能与氢气和一氧化碳的反应性和扩散性有关。氢气的反应性和扩散性高于一氧化碳，因此在混合气体中，氢气的增加通常会提升火焰速度，而一氧化碳的增加则会降低火焰速度。

在氢气/一氧化碳/二氧化碳混合气体中，研究发现二氧化碳的增加对火焰速度的影响相对温和。尽管如此，当二氧化碳的摩尔分数增加时，贫燃极限也会有所变化。例如，当氢气/一氧化碳混合气体中添加40%的二氧化碳时，贫燃极限从0.28增加到0.32。这表明，即使在含有大量二氧化碳的混合气体中，火灾风险依然存在。研究还指出，甲烷的添加对火焰速度的影响更为显著，可能更有效地降低火焰传播速度，从而减少火灾的可能性。

在氢气/一氧化碳/甲烷混合气体中，研究发现，当等当比保持不变时，甲烷的增加会显著降低火焰速度。然而，如果甲烷被二氧化碳替代，等当比和火焰速度都会降低。这一现象说明，在混合气体中，甲烷和二氧化碳的作用不同，甲烷作为燃料可能比二氧化碳作为稀释剂更能有效降低火焰传播速度。然而，这种效应仅在等当比保持不变的情况下显现，若甲烷被二氧化碳替代，等当比的变化会导致火焰速度的进一步降低。

此外，研究还指出，不同气体组分的摩尔分数变化对燃烧特性的影响存在显著差异。例如，在氢气/一氧化碳/甲烷混合气体中，甲烷的增加对火焰速度的影响比二氧化碳的增加更为显著。而在氢气/一氧化碳/二氧化碳混合气体中，二氧化碳的增加对火焰速度的影响则较为温和。这种差异可能与不同气体的反应性、扩散性和热效应有关。

研究还探讨了不同温度条件下混合气体的燃烧特性。结果表明，温度的变化对火焰速度和贫燃极限的影响显著。例如，在300 K和400 K的温度条件下，火焰速度和贫燃极限的变化趋势存在差异。温度越高，火焰速度和贫燃极限的变化可能越明显。然而，这种趋势在不同气体组分的混合中表现出不同的特点，需要进一步研究。

总的来说，本研究揭示了LIB喷出气体中不同组分对燃烧特性的影响。这些发现对于评估LIB的火灾风险、设计更安全的电池系统以及开发有效的灭火策略具有重要意义。尽管二氧化碳在混合气体中起到稀释作用，但其对火焰速度的影响相对较小，因此不能完全排除火灾的可能性。甲烷的添加可能在某些情况下更有效地降低火焰传播速度，从而减少火灾风险。然而，这种效应需要在特定条件下才能显现，因此在实际应用中需要综合考虑多种因素。

研究还指出，氢气的反应性和扩散性较高，因此在混合气体中，氢气的增加通常会提升火焰速度。然而，当混合气体中添加其他组分时，这种效应可能会被削弱。例如，在氢气/一氧化碳/二氧化碳混合气体中，一氧化碳的增加对火焰速度的影响较小，而在氢气/一氧化碳/甲烷混合气体中，甲烷的增加对火焰速度的影响更为显著。这些发现表明，混合气体中各组分的摩尔分数变化对燃烧特性的影响存在显著差异，需要根据具体情况进行评估。

此外，研究还探讨了不同等当比对燃烧特性的影响。结果表明，等当比的变化对火焰速度和贫燃极限有显著影响。例如，在氢气/一氧化碳混合气体中，等当比的变化会导致火焰速度和贫燃极限的变化。这种变化趋势在不同温度条件下有所不同，因此需要在不同条件下进行研究。

研究还发现，混合气体中的摩尔分数变化对燃烧特性的影响可能与燃烧化学、分子传输系数和压力等因素有关。例如，燃烧化学决定了火焰速度的变化，而分子传输系数和压力则可能对火焰速度的变化产生一定影响。然而，这些因素的影响通常不如燃烧化学的影响显著。因此，在评估混合气体的燃烧特性时，需要综合考虑这些因素。

最后，研究强调了对LIB喷出气体燃烧特性的深入研究的重要性。这些研究不仅有助于理解LIB的火灾风险，还为设计更安全的电池系统提供了理论依据。此外，研究结果还表明，即使在含有大量二氧化碳的混合气体中，火灾风险依然存在，因此需要采取有效的措施来降低这种风险。