基于SiC/Al2O3多孔介质的充电被动保护装置设计，用于煤矿锂离子电池的供电系统

《Process Safety and Environmental Protection》：A design of charging passive protection device based on SiC/AL 2O 3 porous media for lithium-ion battery supply in coal mine

锂离子电池井下充电热失控风险研究中，提出以多孔介质为核心的被动防护装置，通过数值模拟与实验验证了Al?O?和SiC多孔材料在气体逸散与火焰抑制方面的效能，确定20 PPI密度、1.5 cm厚度的SiC为最优配置，有效降低爆炸风险并支持井下电动化运输。

　　随着绿色矿山建设的推进，锂离子电池驱动的车辆逐渐应用于地下煤矿领域。目前，中国地下煤矿中已有约3000辆锂离子电池供电的车辆在运行。然而，锂离子电池在使用过程中存在热失控的风险，尤其是在充电环节，这种风险尤为突出。热失控不仅可能导致电池内部温度迅速升高，还可能引发可燃气体的释放，如氢气、二氧化碳、一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯和丙烷等。这些气体在特定浓度范围内可能形成爆炸性混合物，从而带来严重的安全隐患。

在地下煤矿环境中，由于存在可燃气体，一旦锂离子电池发生热失控，可能会对矿井作业造成重大影响，甚至导致人员伤亡和财产损失。因此，现有的热失控预防和控制措施难以完全应对这一风险。为了解决这一问题，研究者提出了一种基于被动防护原理的火焰阻隔与防爆装置，用于锂离子电池充电过程中的额外保护。该装置可安装在电池外壳外部，作为一层额外的安全屏障。

在研究中，研究人员特别关注了多孔材料的应用。多孔材料因其轻质、高强度以及具有气体通道的特性，被广泛应用于防火和防爆领域。其功能包括阻止火焰传播和干扰爆炸波的扩散。通过数值模拟和实验研究，发现多孔材料对高压力气体释放、喷射火焰以及气体爆炸的抑制效果显著。因此，将多孔材料作为被动防护装置的核心部分具有重要价值。

在选择多孔材料时，研究者对不同孔密度和厚度的材料进行了系统的分析。孔密度和厚度是影响多孔材料性能的关键因素，不同材料组合对气体扩散和火焰阻隔的效果存在明显差异。例如，孔密度为20 PPI、厚度为1.5厘米的碳化硅（SiC）多孔材料被选为被动防护装置的主要材料。研究结果表明，该材料在抑制热失控引发的气体扩散方面表现优异，同时在喷射火焰的阻隔方面也具有良好的效果。

此外，研究者还设计了一种三层结构的被动防护装置，以更好地适应地下煤矿的实际需求。该装置结合了数值模拟和实验研究的结果，并参考了以往关于多孔材料在气体爆炸抑制方面的研究。通过这种设计，装置能够有效保障锂离子电池充电的安全性，同时促进电气化运输，从而减少柴油排放和碳足迹，为实现绿色矿山建设目标提供支持。

为了确保模拟和实验结果的一致性，研究者采用了一个缩放模型箱进行相关测试。在模拟过程中，使用Fluent软件对气体在多孔材料中的扩散行为进行了分析，评估了其气体释放能力。在实验部分，研究者测试了不同厚度和孔密度的多孔材料对喷射火焰的阻隔效果。通过这两种方法的结合，研究人员能够更全面地了解多孔材料在实际应用中的性能表现。

在研究过程中，研究人员还对现有文献进行了综述，发现多孔材料在抑制气体爆炸方面的应用已有一定基础。例如，Li等人（2023）研究了多孔材料在氢气/空气混合物中的爆炸抑制效果，结果表明在某些情况下，多孔材料能够有效阻止火焰和冲击波的反射。Wen等人（2020）建立了一个半通风的爆燃室，并证明不同类型和参数的多孔材料对灭火过程有显著影响。Duan等人（2021）则研究了九种不同孔密度和厚度的多孔材料对甲烷爆炸中火焰传播和超压的影响，结果显示不同材料组合对爆炸过程的抑制效果存在明显差异。

基于上述研究，研究人员得出以下结论：首先，孔密度对气体扩散的影响比厚度更为显著，尤其是在碳化硅和氧化铝（Al?O?）多孔材料中，孔密度为20 PPI的配置表现出更优的气体扩散性能。其次，不同孔密度和厚度的多孔材料在抑制气体爆炸和喷射火焰方面效果各异，因此在选择多孔材料时，需要综合考虑其孔密度、厚度以及与其他材料的组合方式。最后，通过设计三层结构的被动防护装置，研究人员能够有效提升锂离子电池在地下煤矿环境中的安全性，同时推动电气化运输的发展，减少柴油使用带来的环境污染。

为了进一步验证这些结论，研究者还进行了大量的实验和模拟工作。实验部分主要关注喷射火焰的阻隔效果，通过控制不同的初始压力和点火能量，评估多孔材料在不同条件下的性能表现。模拟部分则更侧重于气体在多孔材料中的扩散行为，分析其气体释放能力以及对爆炸传播的抑制效果。这些研究结果不仅为被动防护装置的设计提供了理论依据，也为实际应用中的安全评估提供了参考。

在实际应用中，研究人员还考虑了多孔材料的安装方式和结构设计。例如，将多孔材料作为核心部分，结合其他防护层，形成一种多层次的防护体系。这种设计能够有效应对热失控引发的多种风险，包括气体释放、火焰传播以及爆炸危害。此外，研究人员还探讨了如何在不影响电池性能的前提下，提高防护装置的效率。通过优化材料的选择和结构设计，研究人员希望能够开发出一种更加高效、可靠的被动防护装置，以保障锂离子电池在地下煤矿环境中的安全使用。

研究者还提到，由于地下煤矿环境的特殊性，现有的防护措施可能无法完全覆盖所有潜在风险。因此，提出一种新的被动防护装置具有重要意义。该装置不仅能够有效抑制热失控引发的气体扩散和火焰传播，还能够降低爆炸风险，提高整体安全性。同时，该装置的安装和使用方式也应考虑实际操作的便利性和成本效益，以确保其在实际应用中的可行性。

此外，研究者还对多孔材料在不同条件下的性能进行了详细分析。例如，在高压力气体释放和喷射火焰阻隔方面，不同孔密度和厚度的多孔材料表现出不同的效果。通过实验和模拟的结合，研究人员能够更准确地评估这些材料在实际应用中的表现，并据此选择最优的配置方案。这种研究方法不仅提高了研究的科学性和严谨性，也为实际应用中的安全防护提供了更加可靠的技术支持。

在研究过程中，研究人员还参考了大量相关文献，以确保研究的全面性和系统性。通过分析以往的研究成果，研究人员能够更好地理解多孔材料在不同应用场景下的性能表现，并据此提出更加合理的优化方案。例如，通过比较不同研究中关于多孔材料对气体爆炸抑制效果的描述，研究人员能够更全面地评估其在实际应用中的可行性，并据此选择最适合的材料组合。

研究者还强调，多孔材料的选择和应用应结合具体的应用场景和需求。例如，在地下煤矿环境中，由于存在可燃气体，多孔材料的性能需要更加严格的要求。因此，在选择多孔材料时，应充分考虑其孔密度、厚度以及与其他材料的兼容性。通过这种综合考虑，研究人员希望能够开发出一种更加高效、可靠的被动防护装置，以满足地下煤矿环境下的安全需求。

综上所述，本研究通过数值模拟和实验相结合的方法，对多孔材料在锂离子电池充电过程中的应用进行了系统分析。研究结果表明，孔密度对气体扩散的影响比厚度更为显著，因此在选择多孔材料时，应优先考虑孔密度的优化。同时，不同孔密度和厚度的多孔材料在抑制气体爆炸和喷射火焰方面效果各异，因此需要综合评估其性能表现，并据此选择最优的配置方案。通过设计三层结构的被动防护装置，研究人员希望能够有效提升锂离子电池在地下煤矿环境中的安全性，同时推动电气化运输的发展，减少柴油排放和碳足迹，为实现绿色矿山建设目标提供支持。