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储能电池热失控风险解析

  次浏览  动力电池热失控技术研究  2020/08/11

近年来,随着越来越多的储能电站投入运行,国内外出现的大规模储能电站火灾事故呈高发态势,储能安全问题引发越来越多人的关注。据报道,韩国在过去两年内发生了23起储能电站火灾事故;近期美国亚利桑那州一座储能电站起火,造成四名消防员受伤,给储能行业的发展蒙上了阴影。国内方面,虽然储能电站应用处于初期阶段,但已发生的几起火灾同样引起人们对产业发展的担忧。通过对这些事故的统计调查发现,导致储能电站起火的原因很多,包括电池、电气设备本身的质量问题,也包括系统保护措施设计的缺陷,PCS和BMS以及EMS等系统之间的控制及保护功能协调性不当等,以及施工过程中出现的质量问题、运行和维护管理不当等均也是储能电站起火的原因。

图1 韩国23起事故统计信息

针对储能系统的起火、爆炸等事故发生的原因,锂电池本身的热失控,以及电池模块和系统的热失控扩散,成为锂离子电池使用中最为严重的安全事故。

何为热失控以及热失控扩散?热失控往往是由于锂离子电池内部短路(发生了挤压变形、穿刺或者高温炙烤等导致隔膜被破坏引发正负极短路),或者由于电池外部短路,导致锂离子电池内部短时间内积累了大量热量,引发正负极活性物质和电解液等发生分解,导致锂离子电池起火和爆炸,进而蔓延扩散。如果电池系统中,由于一个电芯产生热失控而引发其他电芯热失控,即为热失控扩散。

图2 电池热失控发生模型

很多科研机构以及各电池企业都致力于研究通过技术手段来规避电芯发生热失控的诱因,并通过开发稳定可靠的触发方法来检验发生热失控以及热失控蔓延时造成的危害程度。目前,国内外包含储能用电池热失控要求和测试方法的相关标准有IEC62619:2017, UL9540A:2018,GB/T36276-2018等。各标准对应的应用情景不尽相同,在技术要求、触发热失控方式、测试方法手段等方面存在差异。

图3 不同标准中的热失控测试对比

通过对热失控以及热扩散测试的研究,可以提供一些防范措施,主要有:

结合电芯热扩散系数,设计合理的电池间距,避免触发热失控电芯相邻电芯温度的急剧升高,降低因热传导导致的触发热失控蔓延的风险;

设计合理并且可靠的热交换策略,例如液冷技术、风冷技术、吸热相变材料技术等,在电芯发生热失控时,及时将该电芯散发出来的热量及时导出电池模块或系统。

BMS电路中设计合理的、必要的限制功能元件,例如当部分回路电流、电压、温度出现异常时可快速、准确的切断回路,可有效避免电能传导导致热失控发生;

设计开发具有阻燃、降温、灭火以及隔氧等功能的新材料应用在电池系统中;

设计可靠的能量以及有害物质(包括气体、液体、固体等)定向及定量释放策略,并配合可承受一定机械应力的结构,避免高温喷出物以及喷出物燃烧产生的火焰对周围电芯模块等的影响;

配置有效的热失控探测及消防产品,采用多级立体防护技术,实现热失控技术的提前预警及干预。

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