參考文獻(xiàn)：李毓烜,闞強(qiáng),崔海浩.儲能系統(tǒng)用三元鋰離子電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)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(zāi)特性尚未厘清，嚴(yán)重制約了此類儲能設(shè)施消防控滅火手段的應(yīng)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(shí)驗(yàn)、量熱實(shí)驗(yàn)和熱擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，研究了電池單體熱失控和電池模組熱擴(kuò)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(shí)證實(shí)驗(yàn)，探究其發(fā)生熱失控的機(jī)理、火災(zāi)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(shí)驗(yàn)采用英國FTT公司研發(fā)的火災(zāi)熱釋放速率測試裝置，該裝置可實(shí)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(biāo)隨時間變化的曲線以及多種燃燒產(chǎn)生氣體在線分析。
實(shí)驗(yàn)布置及實(shí)驗(yàn)方案
實(shí)驗(yàn)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(fù)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(jìn)行加熱。實(shí)驗(yàn)全程對熱失控發(fā)展進(jìn)行視頻記錄和數(shù)據(jù)采集。
圖1 熱失控實(shí)驗(yàn)
為揭示電池單體熱釋放特性，在單體燃燒實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)(圖2)進(jìn)行量熱實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行加熱，直至完全熱失控并發(fā)生火災(zāi)。
圖2 量熱實(shí)驗(yàn)
為進(jìn)一步研究電池?zé)崾Э卦陔姵啬＝M內(nèi)部的傳播，采用如圖3所示的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)所述。
圖3 熱擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)
電池單體熱失控實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，僅約12s。實(shí)驗(yàn)過程中電池?zé)崾Э貒娚浠鹧嫒鐖D4所示。
圖4 熱失控實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)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(dá)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(shí)驗(yàn)電池表面溫度曲線 圖6 熱失控實(shí)驗(yàn)電池電壓曲線
通過加熱電池單體，直至熱失控、燃燒、熄滅。實(shí)驗(yàn)過程中對燃燒階段的氣體、熱釋放速率和總熱值進(jìn)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(yīng)，釋放出大量可燃?xì)怏w，可燃?xì)怏w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(shí)驗(yàn)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(jì)釋放熱量約22MJ。
圖7 量熱實(shí)驗(yàn)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(jì)時，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如表2所示。電芯依次熱失控燃燒如圖9所示。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
圖9 熱擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)過程
圖10 熱擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)電池表面溫度曲線
從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和溫度曲線可以看出，當(dāng)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(dá)950℃，同時形成了噴射火，通過相鄰電池殼體之間的導(dǎo)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(dá)到熱失控溫度，形成了持續(xù)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，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(dāng)熱失控電池單體的周圍電池受到的熱失控?cái)U(kuò)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?zé)崾Э厮尫诺哪芰渴怯邢薜?，但是如果發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)造成熱失控的擴(kuò)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(shí)驗(yàn)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(dāng)形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)后，熱擴(kuò)展更加迅速，火災(zāi)更易擴(kuò)大發(fā)展。
電池單體熱失控實(shí)驗(yàn)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(dá)670 ℃。在儲能系統(tǒng)里進(jìn)行應(yīng)用時，三元鋰離子電池火災(zāi)形成的噴射火可能直接引燃電路板、線路等，造成火災(zāi)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(jì)釋放熱量約22MJ。
在實(shí)驗(yàn)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?zhǔn)椒磻?yīng)，可能由此造成比較嚴(yán)重的危害。
隨著能源消費(fèi)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(zāi)或爆炸的危險(xiǎn)本質(zhì)，特別是在密閉空間，一旦某一儲能單元發(fā)生火災(zāi)，將會引起相鄰多臺儲能單元的連鎖火災(zāi)反應(yīng)甚至箱體爆炸，火災(zāi)荷載大、危險(xiǎn)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(fēng)口。鋰離子電池火災(zāi)與普通建筑火災(zāi)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(yīng)。
本文中，作者使用FTT單體燃燒實(shí)驗(yàn)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(zāi)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(yù)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(rèn)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(rèn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行使用培訓(xùn)。FTT還可為希望進(jìn)行部件設(shè)計(jì)和自行制造設(shè)備的客戶提供任何特定組件。
