储能系统用三元锂离子电池热失控火灾特性_李毓烜.pdf

2023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计收稿日期：2022-08-23基金项目：南方电网调峰调频发电有限公司科研类公开招标项目(0200002020030304JS00037)作者简介：李毓烜(1994)，男，湖南省人，硕士研究生，主要研究方向为电力系统自动化与新型储能技术应用。通信作者：崔海浩储能系统用三元锂离子电池热失控火灾特性李毓烜1，阚强2，崔海浩2(1.南方电网调峰调频发电有限公司，广东 广州 510630；2.应急管理部天津消防研究所，天津 300381)摘要：锂离子电池是储能系统的重要组成部分，但储能系统用三元锂离子电池的热失控火灾特性尚未厘清，严重制约了此类储能设施消防控灭火手段的应用和储能行业的安全发展。通过储能系统用三元锂离子电池的热失控实验、量热实验和热扩展实验，研究了电池单体热失控和电池模组热扩展的发展规律。实验结果表明，储能系统用三元锂离子电池在热失控后会直接起火燃烧，释放出大量可燃气体，燃爆剧烈，会形成持续的喷射火，电池单体热失控容易触发相邻电池单体发生热失控，形成链式反应。关键词：三元锂离子电池；热失控；量热实验；热扩展中图分类号：TM 912文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)03-0328-04DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.03.013Thermal runaway induced fire characteristics of ternary lithium ionbatteries used in energy storage systemLI Yuxuan1,KAN Qiang2,CUI Haihao2(1.CSG Power Generation Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510630,China;2.Tianjin Fire Research Institute of MEM,Tianjin 300381,China)Abstract:Lithium-ion battery is an important part of energy storage system,but the thermal runawaycharacteristics of ternary lithium ion battery used in energy storage system have not been clarified,whichseriously restricts the fire control of such energy storage facilities and the development of energy storageindustry.A series of tests were conducted to study the thermal runaway,thermal runaway propagation andheat release of the ternary lithium ion battery.The development of single battery thermal runaway and batterymodule thermal runaway propagation were analyzed.The test results show that the ternary lithium ion batteryused in the energy storage system may directly catch fire and burn following the thermal runaway,withreleasing a large amount of combustible gases.The thermal runaway of single battery is easy to trigger thefailure of adjacent batteries,which forms a chain reaction.Key words:ternary lithium ion battery;thermal runaway;calorimetric test;thermal runaway propagation随着我国能源消费结构转型升级、大力发展可再生能源政策的深入，以储能技术与系统为核心的现代智能电网体系的建设与规划日渐引起重视。储能系统是以锂离子电池为基础的，锂离子电池是含能物质，具有发生火灾或爆炸的危险本质，特别是在密闭空间，一旦某一储能单元发生火灾，将会引起相邻多台储能单元的连锁火灾反应甚至箱体爆炸，火灾荷载大、危险性高且难于扑救1-4。以锂离子电池为基础的储能系统的安全问题越来越受到社会各界关注，尤其近几年国内外发生的储能电站起火爆炸事故，更是将锂离子电池储能系统的安全问题推向了舆论风口。锂离子电池火灾与普通建筑火灾有较大的区别，其作为能量聚集体，在热失控发生后容易引发周围电池发生连锁燃烧、爆炸反应。目前，国内外针对集装箱式锂离子电池储能系统消防灭火装置的研究尚处于起步阶段，大部分储能系统仍沿用传统的电气消防灭火装置，未从根本上厘清储能系统锂离子电池火灾特性5-8。为了解决上述问题，本研究开展了三元锂离子电池热失控火灾实验，揭示了热失控及火灾发展特性，研究成果可为有效解决储能系统锂离子电池火灾扑救奠定理论基础。1 实验1.1 实验用电池为了进一步掌握影响储能系统用三元锂离子电池危险性的关键影响因素，探究其发生热失控的机理、火灾蔓延规律及热失控产生的热量，选取了硬壳三元锂离子电池，开展热失控实证实验，实验对象参数见表1。通过实验，确定了电池的热失控特性、热蔓延特性及热失控产生的热量，为评估表 1 电池参数 技术参数 指标 尺寸(宽度厚度高度)/mm 17314.5244 标称容量/Ah 37 标称电压/V 3.65 充电电压/V 4.2 放电终止电压/V 2.8 质量/g 78815 3282023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计三元锂离子电池的安全性和研究热失控防范措施提供了参考依据。1.2 测试装置实验中采用深圳市新威新能源技术有限公司研发的电池充放电装置，型号BTS-20V200A，最大输出电压20 V，最大输出电流200 A，功率4 kW。电池单体燃烧实验采用英国FTT公司研发的火灾热释放速率测试装置，该装置可实现燃烧烟气自动采集分析，可获得燃烧增长速率指数，总热释放量，烟气生成速率指数，总产烟量等指标随时间变化的曲线以及多种燃烧产生气体在线分析。实验中采用直径为1 mm 的k型铠装热电偶对电池表面温度进行测量，电池电压通过无纸记录仪VX8100R采集。1.3 实验布置及实验方案实验布置如图1所示，在加热板上放置被测电池单体，用夹板将电池和加热板夹紧，在电池单体上下表面分别布置 2个热电偶用于监测电池表面温度，同时在电池正负极连接电压监测装置。本文所采用的电池单体均为满充状态，即SOC为 100%。通过加热方式触发电池单体热失控，采用最大功率为600 W的加热板以57/min的温升速率对电池进行加热。实验全程对热失控发展进行视频记录和数据采集。为揭示电池单体热释放特性，在单体燃烧实验装置内(图2)进行量热实验，测定电池单体的热释放速率及总热值。电池采用上述热失控实验方法进行加热，直至完全热失控并发生火灾。为进一步研究电池热失控在电池模组内部的传播，采用如图 3所示的实验布置。电池模组由 4个电池单体组成，每个电池背面布置有热电偶。实验中对电池模组一侧的电池单面加热，加热过程如上述热失控实验所述。2 结果与讨论2.1 电池单体热失控实验电池单体热失控实验发现，当加热至50.5 min左右，电池安全阀开启，喷出少量气体和电解液；56 min左右，电池单体释放大量气体并开始起火，剧烈燃烧，持续时间很短，与 Liu等9的实验结果相似，仅约12 s。实验过程中电池热失控喷射火焰如图4所示。实验过程中电池表面温度曲线如图 5所示，电池电压曲线如图 6所示。硬壳三元锂离子电池被加热到一定温度后，安全阀会开启，并释放气体及少量电解液，继续加热，电池发生热失控释放出大量气体，同时电池表面温度急剧上升，电池表面温度会高达670，电池电压瞬间降低为0 V，随后伴随着剧烈燃烧、爆燃，且会形成持续的喷射火，直至可燃物燃烧殆尽。2.2 电池单体量热实验通过加热电池单体，直至热失控、燃烧、熄灭。实验过程中对燃烧阶段的气体、热释放速率和总热值进行测量。典型气体变化如图7所示。结果显示三元锂离子电池在热失控时内部会发生一系列放热反应，释放出大量可燃气体，可燃气体燃烧产生一氧化碳、二氧化碳并消耗氧气，在电池单体喷射火焰瞬间，单体燃烧实验装置管道内氧气浓度下降至17.8%，同时二氧化碳浓度上升至2.2%，一氧化碳浓度上升至0.09%。热释放速率、总热值随时间的变化如图8所示，发现最大热释放速率为280 kW，整个热失控过程共计释放热量约22 MJ。图1热失控实验图2量热实验图3热扩展实验图4热失控实验图5热失控实验电池表面温度曲线图6热失控实验电池电压曲线3292023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计2.3 电池模组热扩展实验加热板开始加热后计时，实验现象如表 2所示。电芯依次热失控燃烧如图 9 所示。实验过程中，模组内部 5 支热电偶所采集温度曲线如图10所示。从实验现象和温度曲线可以看出，当1#电池单体热失控后，与之相邻的2#、3#、4#电池单体也依次发生热失控。1#电池单体热失控后，其表面温度达950，同时形成了喷射火，通过相邻电池壳体之间的导热、单体电池起火对周围电池的炙烤两个途径，使相邻电池单体温度逐渐升高，达到热失控温度，形成了持续的链式反应，最终所有电池单体均发生热失控。从能量守恒的角度而言，当热失控电池单体的周围电池受到的热失控扩展造成的加热功率大于其本身的散热功率时，受到加热的周围电池的温度就会升高，继而发生热失控触发10-11。单体电池热失控所释放的能量是有限的，但是图7量热实验气体浓度曲线图8热释放速率和总热值曲线表 2 实验现象 时间 现象、事件 00 启动加热装置 3506 1#电芯安全阀部分开启 4632 1#电芯安全阀完全开启并释放大量气体 4649 2#电芯安全阀开启并释放大量气体 4656 1#电芯爆喷，剧烈燃烧 4840 2#电芯爆喷，剧烈燃烧 4841 3#电芯安全阀开启，释放气体被引燃 4857 3#电芯爆喷，剧烈燃烧 4925 4#电芯安全阀开启，释放大量气体 5008 4#电芯爆喷，剧烈燃烧 图9热扩展实验过程图10热扩展实验电池表面温度曲线3302023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计如果发生链式反应造成热失控的扩展，整个电池组的能量通过热失控释放出来，将会造成极大的危害。此外，实验过程中，发现 2 号电芯和 3 号电芯爆燃时间间隔非常短，由此可知，当形成链式反应后，热扩展更加迅速，火灾更易扩大发展。3 结论(1)电池单体热失控实验表明，三元锂离子电池在热失控后会直接起火燃烧，剧烈燃烧，形成持续的喷射火，电池表面温度可高达 670。在储能系统里进行应用时，三元锂离子电池火灾形成的喷射火可能直接引燃电路板、线路等，造成火灾迅速发展。(2)满电条件下37 Ah三元锂离子电池单体热失控燃烧最大热释放速率约 280 kW，整个热失控过程共计释放热量约22 MJ。(3)在实验条件下，电池单体热失控后，后相继触发相邻电池单体发生热失控，形成链式反应，可能由此造成比较严重的危害，因此本研究建议在实际使用中宜在电池之间设置可靠的热阻隔措施，降低热扩展风险。参考文献：1董海斌，张少禹，李毅，等.NCM811高比能锂离子电池热失控火灾特性J.储能科学与技术，2019，8(S1)：65-70.2于东兴，李毅，张少禹，等.基于实体试验的磷酸铁锂电池火灾危险性分析J.消防科学与技