參考文獻：李毓烜,闞強,崔海浩.儲能系統(tǒng)用三元鋰離子電池熱失控火災特性[J].電源技術(shù),2023,47(03):328-331.
鋰離子電池是儲能系統(tǒng)的重要組成部分，但儲能系統(tǒng)用三元鋰離子電池的熱失控火災特性尚未厘清，嚴重制約了此類儲能設(shè)施消防控滅火手段的應用和儲能行業(yè)的安全發(fā)展。本研究通過儲能系統(tǒng)用三元鋰離子電池的熱失控實驗、量熱實驗和熱擴展實驗，研究了電池單體熱失控和電池模組熱擴展的發(fā)展規(guī)律。
選取了硬殼三元鋰離子電池，開展熱失控實證實驗，探究其發(fā)生熱失控的機理、火災蔓延規(guī)律及熱失控產(chǎn)生的熱量。
采用BTS-20V200A電池充放電裝置，最大輸出電壓20V，最大輸出電流200A，功率4kW。
電池單體燃燒實驗采用英國FTT公司研發(fā)的火災熱釋放速率測試裝置，該裝置可實現(xiàn)燃燒煙氣自動采集分析，可獲得燃燒增長速率指數(shù)，總熱釋放量，煙氣生成速率指數(shù)，總產(chǎn)煙量等指標隨時間變化的曲線以及多種燃燒產(chǎn)生氣體在線分析。
實驗布置如圖1所示，在加熱板上放置被測電池單體，用夾板將電池和加熱板夾緊，在電池單體上下表面分別布置2個熱電偶用于監(jiān)測電池表面溫度，同時在電池正負極連接電壓監(jiān)測裝置。本文所采用的電池單體均為滿充狀態(tài)，即SOC為100%。通過加熱方式觸發(fā)電池單體熱失控，采用最大功率為600W的加熱板以5~7℃/min的溫升速率對電池進行加熱。實驗全程對熱失控發(fā)展進行視頻記錄和數(shù)據(jù)采集。
圖1 熱失控實驗
為揭示電池單體熱釋放特性，在單體燃燒實驗裝置內(nèi)(圖2)進行量熱實驗，測定電池單體的熱釋放速率及總熱值。電池采用上述熱失控實驗方法進行加熱，直至完全熱失控并發(fā)生火災。
圖2 量熱實驗
為進一步研究電池熱失控在電池模組內(nèi)部的傳播，采用如圖3所示的實驗布置。電池模組由4個電池單體組成，每個電池背面布置有熱電偶。實驗中對電池模組一側(cè)的電池單面加熱，加熱過程如上述熱失控實驗所述。
圖3 熱擴展實驗
電池單體熱失控實驗發(fā)現(xiàn)，當加熱至50.5min左右，電池安全閥開啟，噴出少量氣體和電解液；56min左右，電池單體釋放大量氣體并開始起火，劇烈燃燒，持續(xù)時間很短，與Liu等的實驗結(jié)果相似，僅約12s。實驗過程中電池熱失控噴射火焰如圖4所示。
圖4 熱失控實驗
實驗過程中電池表面溫度曲線如圖5所示，電池電壓曲線如圖6所示。硬殼三元鋰離子電池被加熱到一定溫度后，安全閥會開啟，并釋放氣體及少量電解液，繼續(xù)加熱，電池發(fā)生熱失控釋放出大量氣體，同時電池表面溫度急劇上升，電池表面溫度會高達670 ℃，電池電壓瞬間降低為0 V，隨后伴隨著劇烈燃燒、爆燃，且會形成持續(xù)的噴射火，直至可燃物燃燒殆盡。
圖5 熱失控實驗電池表面溫度曲線 圖6 熱失控實驗電池電壓曲線
通過加熱電池單體，直至熱失控、燃燒、熄滅。實驗過程中對燃燒階段的氣體、熱釋放速率和總熱值進行測量。典型氣體變化如圖7所示。
結(jié)果顯示三元鋰離子電池在熱失控時內(nèi)部會發(fā)生一系列放熱反應，釋放出大量可燃氣體，可燃氣體燃燒產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳并消耗氧氣，在電池單體噴射火焰瞬間，單體燃燒實驗裝置管道內(nèi)氧氣濃度下降至17.8%，同時二氧化碳濃度上升至2.2%，一氧化碳濃度上升至0.09%。熱釋放速率、總熱值隨時間的變化如圖8所示，發(fā)現(xiàn)最大熱釋放速率為280kW，整個熱失控過程共計釋放熱量約22MJ。
圖7 量熱實驗氣體濃度曲線
圖8 熱釋放速率和總熱值曲線
加熱板開始加熱后計時，實驗現(xiàn)象如表2所示。電芯依次熱失控燃燒如圖9所示。實驗過程中，模組內(nèi)部5支熱電偶所采集溫度曲線如圖10所示。
表2 實驗現(xiàn)象
圖9 熱擴展實驗過程
圖10 熱擴展實驗電池表面溫度曲線
從實驗現(xiàn)象和溫度曲線可以看出，當1#電池單體熱失控后，與之相鄰的2#、3#、4#電池單體也依次發(fā)生熱失控。1#電池單體熱失控后，其表面溫度達950℃，同時形成了噴射火，通過相鄰電池殼體之間的導熱、單體電池起火對周圍電池的炙烤兩個途徑，使相鄰電池單體溫度逐漸升高，達到熱失控溫度，形成了持續(xù)的鏈式反應，最終所有電池單體均發(fā)生熱失控。從能量守恒的角度而言，當熱失控電池單體的周圍電池受到的熱失控擴展造成的加熱功率大于其本身的散熱功率時，受到加熱的周圍電池的溫度就會升高，繼而發(fā)生熱失控觸發(fā)。單體電池熱失控所釋放的能量是有限的，但是如果發(fā)生鏈式反應造成熱失控的擴展，整個電池組的能量通過熱失控釋放出來，將會造成極大的危害。此外，實驗過程中，發(fā)現(xiàn)2號電芯和3號電芯爆燃時間間隔非常短，由此可知，當形成鏈式反應后，熱擴展更加迅速，火災更易擴大發(fā)展。
電池單體熱失控實驗表明，三元鋰離子電池在熱失控后會直接起火燃燒，劇烈燃燒，形成持續(xù)的噴射火，電池表面溫度可高達670 ℃。在儲能系統(tǒng)里進行應用時，三元鋰離子電池火災形成的噴射火可能直接引燃電路板、線路等，造成火災迅速發(fā)展。
滿電條件下37Ah三元鋰離子電池單體熱失控燃燒最大熱釋放速率約280kW，整個熱失控過程共計釋放熱量約22MJ。
在實驗條件下，電池單體熱失控后，后相繼觸發(fā)相鄰電池單體發(fā)生熱失控，形成鏈式反應，可能由此造成比較嚴重的危害。
隨著能源消費結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級、大力發(fā)展可再生能源政策的深入，以儲能技術(shù)與系統(tǒng)為核心的現(xiàn)代智能電網(wǎng)體系的建設(shè)與規(guī)劃日漸引起重視。儲能系統(tǒng)是以鋰離子電池為基礎(chǔ)的，鋰離子電池是含能物質(zhì)，具有發(fā)生火災或爆炸的危險本質(zhì)，特別是在密閉空間，一旦某一儲能單元發(fā)生火災，將會引起相鄰多臺儲能單元的連鎖火災反應甚至箱體爆炸，火災荷載大、危險性高且難于撲救。
以鋰離子電池為基礎(chǔ)的儲能系統(tǒng)的安全問題越來越受到社會各界關(guān)注，尤其近幾年國內(nèi)外發(fā)生的儲能電站起火爆炸事故，更是將鋰離子電池儲能系統(tǒng)的安全問題推向了輿論風口。鋰離子電池火災與普通建筑火災有較大的區(qū)別，其作為能量聚集體，在熱失控發(fā)生后容易引發(fā)周圍電池發(fā)生連鎖燃燒、爆炸反應。
本文中，作者使用FTT單體燃燒實驗裝置（SBI）測試了一塊由4個電池單體組成的電池模組的失控火災特性，其測試等級屬于UL 9540A規(guī)范中的模組等級。而在UL 9540A規(guī)范中，電池儲能系統(tǒng)的熱失控火焰蔓延評估被劃分了四個測試等級，分別為電芯等級、模組等級、單元等級、安裝等級。每種等級根據(jù)其試樣的大小和預估熱釋放程度，使用不同的測試設(shè)備。
“UL 9540A電池儲能系統(tǒng)熱失控火焰蔓延評估測試方法”是國際上被公認的能夠解決儲能系統(tǒng)消防安全隱患的有效途徑，受到相關(guān)部門的廣泛認可。美國權(quán)威的行業(yè)規(guī)范，如《美國電工法》（706章節(jié)）、《美國住宅規(guī)范》（R327章節(jié)）、《美國國際防火規(guī)范》（儲能章節(jié)）和美國國家消防局的NFPA855標準等都對儲能系統(tǒng)提出了UL9540A列名的要求。
UL 9540A主要使用耗氧量熱法來測量熱釋放速率，這是FTT產(chǎn)品系列和專業(yè)知識的核心。FTT提供并安裝UL 9540A，并對客戶進行使用培訓。FTT還可為希望進行部件設(shè)計和自行制造設(shè)備的客戶提供任何特定組件。
