儲能電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)演化機(jī)制及防控

儲能電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)演化機(jī)制及其防控技術(shù)主要內(nèi)容二鋰離子電池?zé)崾Э靥匦约捌溲莼瘷C(jī)制一鋰離子電池應(yīng)用前景與火災(zāi)形勢三鋰離子電池火災(zāi)多級防控技術(shù)方法四總結(jié)與展望Part1鋰離子電池應(yīng)用前景與火災(zāi)形勢鋰離子電池應(yīng)用前景與火災(zāi)形勢鋰離子電池應(yīng)用前景與火災(zāi)形勢2021年，中國新增投運(yùn)電力儲能項目裝機(jī)規(guī)模首次突破10GW，達(dá)到10.5GW。其中，新型儲能新增規(guī)模首次突破2GW，達(dá)到2.4GW/4.9GWh。新型儲能中，鋰離子電池和壓縮空氣均有百兆瓦級項目并網(wǎng)運(yùn)行。數(shù)據(jù)來源：中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟（CNESA）中國電力儲能累計裝機(jī)分布儲能是各國能源戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，也是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)中國新型儲能累計裝機(jī)規(guī)模x y 1-x

x

yLiM

O ??

Li MO+xLi+

+xe-充放電x y1-x

x

y

x

n

Li MO+Li

C充放電正極反應(yīng)：負(fù)極反應(yīng)：nC+xLi+

+xe-

充放電總反應(yīng)：LiM

O

+nC

??火災(zāi)、爆炸事故鋰離子電池工作原理6電池單體熱失控電池組熱失控傳播電池系統(tǒng)的安全隱患鋰離子電池應(yīng)用前景與火災(zāi)形勢正極材料：鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、三元等負(fù)極材料：石墨、鈦酸鋰、硅碳負(fù)極等電解液：鋰鹽(LIPF6等)+有機(jī)溶劑(EC)等隔膜材料：聚乙烯、聚丙烯等儲能領(lǐng)域，鋰離子電池火災(zāi)事故時有發(fā)生2017年

3月 山西某火力發(fā)電廠儲能系統(tǒng)輔助機(jī)組AGC調(diào)頻項目發(fā)生火災(zāi)2018年 7月 韓國靈巖風(fēng)力發(fā)電廠的ESS設(shè)備發(fā)生火災(zāi)，約706㎡規(guī)模電池建筑和3500塊以上鋰電池?zé)龤?；韓國儲能電站年發(fā)生火災(zāi)概率高達(dá)1.5%（23/1000，2018.5-2019.5）2018年

8月 江蘇某用戶側(cè)儲能電站火災(zāi)2019年

4月 美國亞利桑那儲能系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)2021年4月

北京大紅門儲能電站火災(zāi)7鋰離子電池應(yīng)用前景與火災(zāi)形勢2018年8月

江蘇某儲能項目起火2021年北京儲能電站火災(zāi)鋰離子電池應(yīng)用前景與火災(zāi)形勢熱失控傳播導(dǎo)致電池系統(tǒng)中火災(zāi)持續(xù)擴(kuò)大，難以有效撲救8鋰離子電池?zé)崾Э卦杏龣C(jī)制、火災(zāi)特性？電池模組內(nèi)熱失控傳播、火災(zāi)動力學(xué)演化？電池火災(zāi)防控技術(shù)方法—

—精準(zhǔn)的預(yù)測預(yù)警方法？高效的滅火技術(shù)？Part

2鋰離子電池?zé)崾Э靥匦约捌溲莼瘷C(jī)制基于絕熱加速量熱儀，開展鋰離子電池的絕熱熱失控測試獲得熱失控特征參數(shù)，研究鋰離子電池?zé)崾Э匮葑儥C(jī)制絕熱加速量熱儀實(shí)物圖38Ah

方形三元/石墨電池，148mm×91mm×26mm。SOC：0%，50%，

100%鋰離子電池?zé)崾Э卦杏龣C(jī)制00 200

4012345Voltage

(V)4.004.05Voltage

(V)1340136013801400142014401460

1480time(min)4.10

VoltageSafety

ventingTemperatureMicroshortcircuitinsidetheLIB(134.5

oC)600Temperature TemperatureRate(oC

min-1)Voltage) 500200 Co(190Temperature)180o

400C((151.2

oC) Temperature17016030015014013012015001520

1540Stage

I:25

oC~

Tonset

(90.6

oC

)

；在EV-ARC的加熱作用下，電池溫度穩(wěn)定升高；Stage

II:

Tonset

~

TISC

(134.5

oC);

電池觸發(fā)自加速反應(yīng)，溫度緩慢升高；在TISC，隔膜開始融化，電池發(fā)生微短路，電壓掉落；StageIII:TISC

~

Ttr

(157.6

oC)

電池溫升速率加快，當(dāng)溫度達(dá)到閾值時（Ttr），電池發(fā)生熱失控；Stage

IV:

電池發(fā)生熱失控，其溫度表現(xiàn)出指數(shù)型增加，在極短的時間內(nèi)達(dá)到

Tmax

(522.6

oC

)鋰離子電池?zé)崾Э卦杏龣C(jī)制根據(jù)電池的特征行為規(guī)律，階段性劃分電池的熱失控孕育過程11鋰離子電池?zé)崾Э匮莼瘷C(jī)制示意圖熱失控孕育機(jī)制12鋰離子電池?zé)崾Э卦杏龣C(jī)制50200 250 300350400 45010-410-310-210-11001011021034?V??

???100 150TmaxTemperatureRate(oC

min-1)Temperature

(oC)50%

SOC?0123456Voltage

(V)0200400600800100012001400160018002000

2200time

(min)100%

SOC0100200300400500600157.6

oC134.5

oCTemperatureTemperature

(oC)90.6

oC00123456Voltage

(V)0200 400 600 800100012001400

1600

time(min)Voltage100200300400500600170.5

oC152.0

oCTemperature

(oC)96.3

oC10020050060010-410-310-210-1100101102103

TemperatureRate(oC

min-1)300 400Temperature

(oC)Temperature

Rate100%

SOCTmaxTTTonsetISC

trΙΙΙ

ΙΙΙΙV50010001500200025000012345Voltage

(V)01002003004005001050

1055

1060

1065

1070

1075

1080

1085

1090

1095

1100123Voltage

(V)4

Voltage120140160180200220

TemperatureTemperature

(oC)0%SOC240154.1oC244.6

oCo201.7

CTemperatureTemperature

(oC)0%

SOC154.1

oC

T100 200

Temperature

RateTonsetTISC

Ttr30040050010-310-210-1100101102103TemperatureRate(oC

min-1)Temperature

Rate0%

SOC(1-a)6

Voltage(1-b)

104(2-a)(2-b)

10(3-a)(3-b)

1051040%50%100%Tonset/oC--96.3? 90.6TISC/oC154.1152.0134.5Ttr/oC201.7? 170.5? 157.6Tmax/oC--383.7522.6(dT/dt)max/oC

min-16.41066.34174.0?H/kJ--196.5336.7?Tad

/oC--125.774.1Ea

/eV--1.14? 1.05A

/min-1--8.75×10121.66×1012????13ISC

分別比較了不同SOC下電池的內(nèi)短路溫度（T ）、熱失控觸發(fā)溫度（Ttr）、溫升速率（dT/dt）、峰值溫度（Tmax）以及相關(guān)動力學(xué)參數(shù)等鋰離子電池?zé)崾Э卦杏龣C(jī)制鋰離子電池火災(zāi)特性設(shè)計搭建了基于ISO9705標(biāo)準(zhǔn)的大型鋰離子電池火災(zāi)危險性測試平臺研究了18650、50~320Ah大型鋰離子電池在不同荷電狀態(tài)下的火災(zāi)危險性50~320Ah

磷酸鐵鋰/石墨電池火災(zāi)特性實(shí)驗(yàn)?

SOC：0、25、50、75、100%熱失控方式：外部加熱、過充20~120Ah三元/鈦酸鋰電池火災(zāi)特性實(shí)驗(yàn)?

SOC：0、25、50、75、100%熱失控方式：外部加熱、過充電池?zé)崾Э乜扇細(xì)怏w測量測試方法：采樣測試鋰離子電池火災(zāi)特性?

大容量鋰離子電池火災(zāi)行為（1）加熱膨脹階段；（2）著火階段（第一次射流）（3）穩(wěn)定燃燒階段；（4）多次射流火焰（高SOC）（5）火焰逐漸熄滅SOC50%

LFPO100%

LFPO0%

LTO50%

LTO100%

LTO加熱功率（kW）33444點(diǎn)燃時間（s）975.81107.7462939001465燃燒時間（s）1250.81348.

928801093568大容量鋰離子電池火災(zāi)行為規(guī)律第一次噴射火第二次噴射火第三次噴射火穩(wěn)定燃燒階段鋰離子電池火災(zāi)特性HRR/kW30sfront

view1505

sside

view1506

s 1506

s 1506

sside

view side

view front

view1505

sfront

viewStable

combustionThe

second

flame

jet1592

sfront

view1672

sfront

view1694

s 1696

s 1697

sside

view side

view front

view1522

sside

viewStablecombustionThethirdflame

jetStablecombustionAbatement

andextinguishment1710

sside

view1717

sside

viewside

view1719

s 1783

s 2100

sSide

view2100

sfront

view第一次第二次第三次side

view揭示出電池多次射流火的根源，及其與SOC的關(guān)系量化了著火時間、著火溫差、熱釋放速率、總放熱量等與SOC的關(guān)系大容量鋰離子電池火災(zāi)行為規(guī)律Battery

expansion Flame

jet熱釋放率隨時間變化關(guān)系鋰離子電池模組熱失控傳播機(jī)制設(shè)計并搭建了全尺寸電池模組火災(zāi)測試平臺研究了圓柱形、方形電池模組熱失控傳播及火災(zāi)蔓延規(guī)律標(biāo)準(zhǔn)儲能集裝箱（20英尺）火災(zāi)實(shí)驗(yàn)測試平臺300W加熱板1Heater系統(tǒng)研究了不同型號、形狀、荷電狀態(tài)等電池模組的熱失控傳播行為與火焰特性435

s442

s451

s500

s501

s515

s530

s562

s563

s571

s635

s665

s672

s682

s825

s730

s826

s827

s858

s581

s(1-a)(1-b)(1-c)(1-d)(2-a)(2-b)(2-c)(2-d)(3-a)(3-b)(3-c)(3-d)(4-a)(4-b)(4-c)(4-d)(5-a)(5-b)(5-c)(5-d)(1-a)435

s(1-b)(2-c)(2-d)442

s451

s500

s(2-a)(2-b)501

s515

s530

s562

s(3-c)(3-d)(3-a)(3-b)563

s571

s581

s635

s(4-c)(4-d)(4-a)(4-b)665

s672

s682

s730

s825

s826

s827

s858

s(5-c)(5-d)(5-a)(5-b)(1-c)(1-d)熱失控傳播行為特征300W加熱板1Heater1#

電池被加熱觸發(fā)熱失控氣體釋放并被點(diǎn)燃① 電池受熱并發(fā)生膨脹階段；② 安全泄壓階段，大量氣體被迅速釋放；③ 著火階段（射流火階段）；④ 穩(wěn)定燃燒階段；⑤ 火焰逐漸熄滅。18鋰離子電池模組熱失控傳播機(jī)制電池前后壁面溫度變化100%

SOC電池組電池序號.1#2#3#4#5#Ti-f

(oC)287515391390405Ti-b

(oC)6678467590Tmax

(oC)728683717694645?ti#

(s)10812109?ti#→(i+1)#

(s)--713593148Qi#→(i+1)#

(kJ)--28.731.435.189.1300-400-20002004006008001000

t5#

t4#148

s

t4#

5#93

s

t3#

4#Temperature

(oC)

T1-f

T1-r

T2-f

T2-r

T3-fT3-rT4-fT4-rT5-fT5-r71

s 35s

t1#

2#

t2#

t2#

t3#

t1#熱失控傳播過程示意圖400 500 600 700 750

800

900time

(s)電池前后壁面的溫度-時間變化曲線19鋰離子電池模組熱失控傳播機(jī)制熱失控傳播機(jī)理分析-400-20002004006008001000(664s,399oC

)(559s,391oC

)(571s,78oC

)?t4#?t3#→4#

T3-f

T3-b

T4-f

T4-bTemperature

(oC)Meltingpointof

aluminum660

oCThermalrunawaypropagationbetween3#and

4#LIBΙПIII?t3#(674s,99oC

)TmaxTtr,ARCT4-cell3#電池發(fā)生熱失控時，釋放出大量的熱，

T3b迅速升高達(dá)到峰值（~

600oC），4#電池前表面被劇烈加熱，T4f

迅速升高；4#電池的前壁面和其電芯之間形成溫差，4#電池電芯溫度開始升高；4#電池電芯的最高溫度（靠近前表面位置）超過電池的熱失控觸發(fā)溫度(Tcell>Ttr,ARC)

,

4#電池進(jìn)入熱失控階段。20T4-fT3-bT4-cell火接焰觸加傳熱熱T0鋰離子電池模組熱失控傳播機(jī)制SOC對熱失控傳播特征參數(shù)的影響100%

SOC50%

SOC電池序號Tmax/oC?ti#/s?ti#→(i+1)#/sQi#→(i+1)#/kJTmax/oC?ti#/s?ti#→(i+1)#/sQi#→(i+1)#/kJ1#72810－－58450－－2#68387128.74864729471.03#717123531.44573544456.24#69410933505#6459148890電池之間傳遞的熱量(Q)，相鄰電池間熱失控傳播時間(?ti#→(i+1)#)隨SOC的降低而升高。一旦發(fā)生熱失控，電能轉(zhuǎn)化為熱，使得SOC越高時，電池的峰值溫度越高，電池內(nèi)部熱失控擴(kuò)散所需時間（

?ti#

）更少。21鋰離子電池模組熱失控傳播機(jī)制

實(shí)驗(yàn)：?ti=

87

s；模型：?ti=

97

s

；38Ah方形電池?zé)崾Э財U(kuò)散時間相近鋰離子電池模組熱失控傳播機(jī)制建立了鋰離子電池組熱失控傳播的預(yù)測模型熱源

=材料分解熱

+電能

+

與環(huán)境的交換熱Qtotal

Qchem

Qsoc

QconQchem

Qsei

Qne

Qpe

Qele

Qnb自加速觸發(fā)溫度：

Tonset

TmaxTonsetSADT火接焰觸加傳熱熱Part

3鋰離子電池火災(zāi)多級防控技術(shù)方法鋰離子電池火災(zāi)多級防控技術(shù)方法發(fā)展了基于熱失控臨環(huán)境界溫度和標(biāo)準(zhǔn)化熱釋放速率峰值的鋰離子電池火災(zāi)危險性分級評價方法，遴選出高安全電池鋰離子電池火災(zāi)危險性等級劃分矩陣圖熱箱實(shí)驗(yàn)60005040W

30k/RR

20H10Time/

s100%

SOC50%

SOC0%

SOCHRR/kW8001000

1200140016001800

2000Time

/s燃燒實(shí)驗(yàn)熱失控臨界溫度熱釋放速率峰值團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)：《鋰離子電池火災(zāi)危險性通用試驗(yàn)方法》（T/CNESA

1004—2021）1、高安全電池篩選方法表征電池?zé)崾Э氐念A(yù)警參數(shù)確定？過充失控實(shí)驗(yàn)裝置不同類型、大小及SOC電池過充、外短路、環(huán)境加熱等失控實(shí)驗(yàn)外表溫度、電壓、內(nèi)阻等參數(shù)電池?zé)崾Э氐念A(yù)警參數(shù)電池結(jié)構(gòu)和傳熱模型等2、精準(zhǔn)預(yù)測預(yù)警技術(shù)環(huán)境加熱失控實(shí)驗(yàn)裝置鋰離子電池火災(zāi)多級防控技術(shù)方法研發(fā)了多參數(shù)耦合的電池火災(zāi)預(yù)警技術(shù)及裝備產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了對動力電池火災(zāi)的三級預(yù)警功能001002002504.24.34.44.54.64.74.84.95.05025.0

oC38

oC51

oC溫度

(oC)20004000600080001000012000

14000時間

(s)正極負(fù)極側(cè)面中心正面中心安全閥1500.2

C4.95

V221.4

oC27.33Ah164%

SOC21.19

Ah 24.22Ah149%SOC 156%

SOC1288

s2761s電壓

(V)11820

s熱失控表征參數(shù)優(yōu)選一級預(yù)警二級預(yù)警三級報警多信息融合c,iia,i

iRTRT

F

F

j

j

expexp

loc,i 0,i

T

,

j

g ex

C

T

(K

T)

Q

Qp

tavgavgj jijavg

cj

U

avgQg

I(V

U)

IT

Hr

(H

H

)

dv

T

t

ii

一維電化學(xué)模型三維熱模型Ava(T)Ava(Q)一級：故障預(yù)警二級：熱失控預(yù)警三級：報警滅火2、精準(zhǔn)預(yù)測預(yù)警技術(shù)火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)鋰離子電池火災(zāi)多級防控技術(shù)方法工況編電池排布 所施加滅火劑號數(shù)量方式011×2無111×2水211×2水311×2水411×2全氟己酮511×2全氟己酮611×2全氟己酮751×6全氟己酮883×3全氟己酮9154×4全氟己酮…七氟丙烷、CO2、等系統(tǒng)研究并揭示了不同滅火劑對鋰離子電池火災(zāi)的效能和機(jī)制工況設(shè)置參數(shù)表3、高效滅火及抗復(fù)燃技術(shù)鋰離子電池火災(zāi)多級防控技術(shù)方法大型NCM三元電池（111體系）的滅火實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大量噴放七氟丙烷、氣溶膠等常規(guī)滅火劑雖然能撲滅氣相火焰，但降溫效果差（電池溫度迅速回升至400-500℃），易復(fù)燃。針對七氟丙烷等滅火劑降溫效果差、易復(fù)燃等難題，通過理論分析和大量實(shí)驗(yàn)研究遴選出滅火好、降溫較明顯、環(huán)境友好的滅火劑鋰離子電池火災(zāi)多級防控技術(shù)方法3、高效滅火及抗復(fù)燃技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)了“首次快速噴放，而后多次緩釋”的鋰離子電池高效滅火抗復(fù)燃技術(shù)并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化，研發(fā)出鋰離子電池模組專用消防系統(tǒng)精準(zhǔn)高效持續(xù)友好與中科久安聯(lián)合研制鋰離子電池火災(zāi)多級防控技術(shù)方法3、高效滅火及抗復(fù)燃技術(shù)電化學(xué)儲能電站消防系統(tǒng)方案

PACK級安防設(shè)計 電池簇防護(hù)設(shè)計 電池艙安防設(shè)計1、PACK防護(hù)：通過監(jiān)測預(yù)警與消防主機(jī)聯(lián)動，將火災(zāi)抑制劑迅速輸送至PACK內(nèi)部，有效抑制電池包內(nèi)部的熱擴(kuò)散；2、電池簇防護(hù)：采用分塊布局+集中控制方式，以電池簇為單位進(jìn)行局部淹沒式滅