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三元系 NCA 柱狀鋰電池芯燃爆過程之滅火氣體阻燃成效探討

為了解決蘋果筆電2021的問題，作者蕭家新 這樣論述：

因應氣候變遷與永續發展之趨勢，再生能源 (如太陽能、風力等) 正迅速成長並逐步替代石化燃料於能源供應之應用，但其因季節或天候影響造成能源輸出不穩定，因此透過大型鋰離子電池 (lithium-ion battery, LIB) 之儲能系統整合於電網系統則是最為關鍵的一環。此外，因應能源的發展與革新，電動車、飛行器與水下設備對鋰離子電池的需求也日益增加，但隨著 LIB 應用的普及使其安全疑慮也日益顯現，如過熱、過度充放電、穿刺或撞擊等因素都可能導致 LIB 之失效與誘發熱失控 (Thermal runaway)，一旦電池發生熱失控進而導致燃爆風險，將嚴重危害使用者安全並造成應用產品之危害

衝擊。 探討 LIB 遭遇熱失控之狀況下引發火災時應建立之阻燃系統評估是儲能系統的一大重要議題，相較於水、泡沫或乾粉等傳統型滅火劑易造成精密設備的損壞，使用阻燃氣體是對於 LIB 燃燒時需要思考的選項。因此，本研究旨在探討在高能量密度之 18650 三元系鎳鈷鋁 (NCA) 鋰離子電池於飽電狀態時藉由改良之緊急排放處理儀 (Vent sizing package 2, VSP2) 絕熱卡計測試 NCA LIB 發生燃爆時於貧氧真空 (–10 psig)、二氧化碳 (CO2) 與一般空氣 (Atmosphere) 之熱失控差異，並參照美國消防協會建議之滅火潔淨氣體，篩選氮氣 (N2)、氬氣

(Ar)、IG-55、IG-541 與環保海龍 (FM-200；HFC-227ea) 來比較其滅火成效。藉由絕熱失控上昇之最高溫度 (Tmax)、絕熱溫昇 (∆Tad)、昇溫速率 (dT/dt)、昇壓速率 (dP/dt) 等實驗數據建立 NCA LIB 燃爆模式 (Fire-explosion model) 之阻燃抑制效益。實驗結果發現惰性阻燃氣體對於NCA 鋰電池之燃爆反應抑制之成效較差，而適用於 LIB 之阻燃氣體建議為具抑制自由基連鎖反應之環保海龍滅火劑與貧氧真空條件。