气体分析——电池安全测试的基石

锂离子电池（LIBs）是电池供电设备中的主流技术。锂离子电池已成为包括消费电子产品、电动汽车（EVs）和可再生能源存储系统在内的各种应用的选择。

近年来，锂离子电池的应用和研究取得了显著增长，预计在不久的将来仍将保持高速发展。各大厂商持续加大研发投入，以提升电池性能、提高能量密度和增强安全性。

在许多与锂离子电池相关的应用中都需要进行气体分析，包括热失控测试、电池滥用和锂离子电池回收工艺开发。

分析锂离子电池直接热失控过程中的气体排放

热失控（TR）是锂离子电池内部一系列化学反应的连锁反应。在热失控过程中，电池单体温度通常会迅速升高，并释放出有毒的反应气体。

其结果可能是电池起火失控，进而引发有毒烟雾爆炸。例如，外部高温、电池机械损坏（如穿刺、短路）或电池过充都可能引发热反应。

为了研究热失控反应，研究人员正在调查不同情况下锂离子电池热失控反应中各种气体的释放量。测量通常在热失控反应源附近进行，这会导致烟气浓度和温度较高。

典型的关注气体包括无机气体（如CO）、碳酸盐（如碳酸二甲酯）、酸（如HF）和挥发性有机化合物（如甲烷）。表1列出了典型的关注气体示例。

由于感兴趣的气体种类繁多，FTIR是一种适合用单个系统测量 TR 气体的技术。

表1. 直接热失控试验中常见的典型气体示例

锂离子电池热失控的有害影响：从单体电池到二次利用模块的规模化测试

锂离子电池热失控过程中气体排放物的成分和爆炸性

另一个典型的研究方向是电池气体逸出。气体逸出是即将发生热反应的早期指标，通常可以在完全热反应发生前几分钟检测到。检测热反应的启动对于许多安全方面至关重要，因此是高度优先的研究事项。

通常，HF 和各种碳酸盐等气体可用作指示剂。有时，HF 的浓度阈值设定为 1 ppm。

提高人们在电池滥用和热失控情况下的安全保障

热失控和电池起火会对事故现场附近的人员构成直接威胁。这些人可能包括急救人员、电动汽车乘客和旁观者。一些急救人员因电动汽车起火而暴露于有毒烟雾的事件凸显了这一点。

为了保障公众安全，锂离子电池火灾毒性管理的需求日益增长。人们关注的是，如果锂离子电池起火，将会造成哪些实际后果。这尤其受到电池生产商、测试实验室和政府卫生安全机构的重视。

目前针对锂电池火灾的处理程序并不完善，人们对了解相关知识的兴趣日益浓厚。

测量通常在暴露现场进行，因此气体浓度和温度都较低。

需要重点关注的典型气体主要包括那些短期毒性威胁最大的气体，例如氯化氢（HCl）、一氧化碳（CO）和各种挥发性有机化合物（VOCs）。

参加网络研讨会：“锂离子电池起火：实用方法” ，了解真实案例研究，该案例研究展示了锂离子电池起火事故的关键数据。

型式认证和受监管的电动汽车安全

电动汽车的锂离子电池舱体积特别大。为了确保不同制造商生产的车辆安全性一致，对电动汽车的测试监管日益严格。

它规定，乘客舱在热失控反应开始后的 5 分钟内保持安全。这可以通过使用多气体分析仪测量反应开始时舱内的空气来验证。

需要检测的气体包括所有有毒成分，例如氯化氢（HCl）、一氧化碳（CO）和各种挥发性有机化合物（VOCs）。能够同时测量数十种气体并检测未知气体对于检测所有有毒化合物至关重要。

这些测量工作可以由电动汽车制造商自行完成，也可以外包给外部检测实验室。根据不同国jia/地区的规定，区域卫生和安全机构可能也会参与测试。

由于 FTIR 技术结合了非常高的便携性和易用性。

分析电池回收和制造过程中的气体排放

锂离子电池回收利用是一个新兴领域，其发展动力源于日益严格的法规要求在新电池生产中使用回收材料。这不仅降低了对原生材料的依赖，也为废旧电池提供了有意义的二次利用途径。

电池制造商不断证明他们能够处理电池的整个生命周期，并在电池设计阶段就考虑电池回收问题。

然而，由于锂离子电池结构复杂，且在回收过程中可能出现化学反应，因此锂离子电池的回收是一项复杂的任务。

例如，如果采用破碎机或粉碎机工艺，则破碎机上游和下游以及溶剂蒸发区释放的气体成分通常都值得关注。

类似地，热处理工艺也用于燃烧溶剂，以回收剩余的含有锂离子电池结构中所用稀有金属的黑色物质。其他工艺则旨在回收溶剂。

为了开发回收工艺，通常需要测量高浓度气体。

另一个相关应用是确保现有回收流程中工人的安全。工业卫生测量通常用于保障工人的健康和安全，以控制工人接触流程中释放的溶剂和化合物。

在这两种情况下，都可以使用单个FTIR 系统来识别和定量分析典型的目标气体。这些气体包括 H₂O 、 CO₂ 、 CO、碳酸盐、HF、苯、氨、甲苯和甲醇。

锂离子电池的制造工艺通常较为成熟。气体分析的主要需求通常是对生产区域进行工业卫生检测。物理损坏、组装不当或存在设计缺陷的电池都可能导致多种有毒气体的产生。

需要关注的典型气体包括 HF 和 Ni(CO) 4，它们都具有极强的毒性。

确保储能系统安全：储能系统中的连续气体监测

电池储能系统（BESS）是一种用于存储来自不同来源的能量，并在需要时释放能量的系统。典型的应用包括存储风能或太阳能产生的电力，以便在用电高峰期释放。

随着可再生能源发电量的不断增长，对电池储能系统（BESS）的需求也在迅速攀升。

电池储能系统（BESS）如同一个“装满电池的容器”，其安全性得到保障。

其他与锂离子电池相关的气体检测应用通常与锂离子电池的物流或仓储有关。多家公司正在开发和生产用于重复运输或通过密封容器来管理危险锂离子电池情况的不同容器。

气体分析需要评估这些容器的有效性和安全性。