國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能電池安全風(fēng)險(xiǎn)

• 陳博 2023年10月30日 來(lái)源：中研網(wǎng) 1060 67
• 繁體

熱失控是造成儲(chǔ)能電池火災(zāi)的主要因素。以磷酸鐵鋰電池為例，其正極材料為磷酸鐵鋰，其化學(xué)屬性較穩(wěn)定，熱失控情況下磷酸鐵鋰在700~800°C時(shí)發(fā)生分解并可能發(fā)生燃燒。同時(shí)，鋰離子電池中的電解液是用有機(jī)溶劑配制而成，其易燃的程度不亞于汽油。正極的氧化劑和負(fù)

儲(chǔ)能電池，是用于儲(chǔ)存電能的電池系統(tǒng)。它們能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為化學(xué)能，將電荷存儲(chǔ)在電池中，然后在需要時(shí)釋放出來(lái)。儲(chǔ)能電池通常設(shè)計(jì)用于長(zhǎng)時(shí)間的能量?jī)?chǔ)存和充放電，例如在電網(wǎng)調(diào)度、峰值負(fù)荷削減和電能管理等方面發(fā)揮重要作用。儲(chǔ)能電池的關(guān)鍵特點(diǎn)是高容量、長(zhǎng)循環(huán)壽命和穩(wěn)定的性能。

儲(chǔ)能電池被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)儲(chǔ)能、家庭儲(chǔ)能、工商業(yè)儲(chǔ)能、通信基站等領(lǐng)域，儲(chǔ)能電池的設(shè)計(jì)要求主要針對(duì)能量密度和長(zhǎng)期儲(chǔ)存進(jìn)行優(yōu)化，以滿足對(duì)大容量和持久儲(chǔ)能的需求。由于儲(chǔ)能電池絕大多數(shù)儲(chǔ)能裝置無(wú)需移動(dòng)，因此儲(chǔ)能鋰電池對(duì)于能量密度并沒(méi)有直接的要求；不同的儲(chǔ)能場(chǎng)景對(duì)功率密度有不同的要求；電池材料方面，注意膨脹率、能量密度、電極材料性能均勻性等，以追求整個(gè)儲(chǔ)能設(shè)備的長(zhǎng)壽命和低成本。

儲(chǔ)能電池系統(tǒng)主要由電池組、電池管理系統(tǒng)（BMS）、能量管理系統(tǒng)（EMS）、儲(chǔ)能變流器（PCS）以及其他電氣設(shè)備構(gòu)成。儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本構(gòu)成中，電池是儲(chǔ)能系統(tǒng)*重要的組成部分，成本占比60%；其次是儲(chǔ)能逆變器，占比20%，EMS（能量管理系統(tǒng)）成本占比10%，BMS（電池管理系統(tǒng)）成本占比5%，其他為5%。

點(diǎn)擊查看中研普華產(chǎn)業(yè)院研究報(bào)告《2023-2028年中國(guó)電池行業(yè)市場(chǎng)深度全景調(diào)研及投資前景分析報(bào)告》

一、熱失控風(fēng)險(xiǎn)

熱失控是造成儲(chǔ)能電池火災(zāi)的主要因素。以磷酸鐵鋰電池為例，其正極材料為磷酸鐵鋰，其化學(xué)屬性較穩(wěn)定，熱失控情況下磷酸鐵鋰在700~800°C時(shí)發(fā)生分解并可能發(fā)生燃燒。同時(shí)，鋰離子電池中的電解液是用有機(jī)溶劑配制而成，其易燃的程度不亞于汽油。正極的氧化劑和負(fù)極的還原劑只隔一層微米級(jí)厚的隔膜，內(nèi)部短路則劇烈生熱；正常的充放電時(shí)，電池內(nèi)阻也產(chǎn)生發(fā)熱。

1、熱失控的引發(fā)原因

電化學(xué)電池以不可控制的方式通過(guò)自加熱升高其溫度的事故即為熱失控。目前，多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中都有針對(duì)熱失控的定義,見(jiàn)下圖：

通過(guò)對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)中熱失控的定義對(duì)比發(fā)現(xiàn)，熱失控更多是被描述為：電池內(nèi)部發(fā)生不可控溫升的現(xiàn)象。

在電芯的實(shí)際使用過(guò)程中，其材料可逆容量、SEI阻抗、電解液組分、結(jié)構(gòu)件物理指標(biāo)等是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，直接影響電芯充放電曲線、內(nèi)阻等動(dòng)態(tài)變化。如果電芯的實(shí)際使用條件（如溫度限值、電壓限值、電流值等）沒(méi)有動(dòng)態(tài)調(diào)整與之匹配，從而造成電芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)加速損傷以及引發(fā)部分關(guān)鍵原材料加速失效的情況，稱(chēng)之為電芯濫用。濫用經(jīng)常會(huì)最終導(dǎo)致電芯安全失效，即熱失控。

熱失控現(xiàn)象的產(chǎn)生原因可以分為兩類(lèi)：內(nèi)因和外因。內(nèi)因主要指在電池設(shè)計(jì)及制造過(guò)程中產(chǎn)生的原因；外因主要指在電池運(yùn)輸、安裝及運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中由于人員、外部條件等導(dǎo)致的原因。分類(lèi)概括如下

2、熱失控?cái)U(kuò)散的引發(fā)原因

熱失控電池產(chǎn)生的熱量高于它可以消散的熱量時(shí)，熱量進(jìn)一步積累，可能導(dǎo)致火災(zāi)，爆炸和氣體釋放。如果電池系統(tǒng)中，由于一個(gè)電芯產(chǎn)生熱失控而引發(fā)其他電芯熱失控，即為熱失控?cái)U(kuò)散。

電池系統(tǒng)發(fā)生熱失控?cái)U(kuò)散最直接的誘因，包括發(fā)生熱失控的電芯對(duì)其周?chē)渌娦镜哪芰總鲗?dǎo)（包括熱能、電能、機(jī)械能等）以及噴出物起火等。

（1）能量傳導(dǎo)

1） 熱能傳導(dǎo)：當(dāng)電池發(fā)生熱失控時(shí)，通過(guò)電池正面接觸而產(chǎn)生的側(cè)向加熱非常劇烈，導(dǎo)致被加熱電池內(nèi)部在厚度方向上溫度梯度變大，由于電池前端面溫度達(dá)到熱失控觸發(fā)溫度進(jìn)而產(chǎn)生熱失控?cái)U(kuò)散。

2）電能傳導(dǎo)：某一電芯單體熱失控與隔膜大面積收縮造成內(nèi)部短路，這兩者可互為因果關(guān)系，最終都會(huì)造成發(fā)生熱失控的電芯能量迅速下降。在電池模塊并聯(lián)單元中，其他電芯會(huì)向發(fā)生熱失控的電芯放電，導(dǎo)致發(fā)生熱失控的電芯溫度升高更多，同時(shí)，靠近已發(fā)生熱失控單體的電芯將比遠(yuǎn)端電芯以更大功率放電，導(dǎo)致其溫度迅速升高，從而促進(jìn)熱失控的擴(kuò)散。

3）機(jī)械能傳導(dǎo)：某一電芯單體發(fā)生熱失控，可能會(huì)對(duì)模組機(jī)械結(jié)構(gòu)造成影響，或者其發(fā)生爆炸造成瞬間大量能量釋放，對(duì)其周邊的電芯也會(huì)造成一定程度的機(jī)械損傷，而這些機(jī)械損傷將增加其周邊電芯發(fā)生失效的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)可直接導(dǎo)致其周邊電芯發(fā)生熱失控。

（2）噴出物起火

電池發(fā)生熱失控時(shí)會(huì)噴出高溫氣體和顆粒混合物，這些氣體具有可燃性，極易發(fā)生火災(zāi)，這些高溫噴出物以及噴出物燃燒產(chǎn)生的火焰會(huì)加熱周?chē)姵?，從而加速熱失控?cái)U(kuò)散的進(jìn)程。

在電池系統(tǒng)發(fā)生熱失控?cái)U(kuò)散過(guò)程中，上述多種誘因通常會(huì)同時(shí)發(fā)生作用。

二、熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷風(fēng)險(xiǎn)

儲(chǔ)能熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在缺陷，這將造成不同溫度區(qū)域的電池性能衰減速度不相同，并直接造成性能衰減快的電池逐步出現(xiàn)安全隱患。

三、安全防護(hù)設(shè)計(jì)缺失風(fēng)險(xiǎn)

電池本體因素是儲(chǔ)能安全的核心，其誘發(fā)安全事故的來(lái)源主要包括電池制造過(guò)程的瑕疵及電池老化帶來(lái)的儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性退化兩方面。目前的儲(chǔ)能鋰電池系統(tǒng)缺乏內(nèi)部可控的安全設(shè)計(jì)，一旦某個(gè)電池出現(xiàn)熱失控，很容易導(dǎo)致電池系統(tǒng)的整體失控。因此，鋰電池應(yīng)用于電力儲(chǔ)能，還需要較大的技術(shù)突破，以解決安全和壽命問(wèn)題。

安全預(yù)警的時(shí)效性不高，有明顯的滯后性，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，熱失控反應(yīng)往往已經(jīng)開(kāi)始。安全防護(hù)措施缺失，沒(méi)有將熱失控控制在一個(gè)有限的范圍內(nèi)。一個(gè)電池?zé)崾Э睾髸?huì)在短時(shí)間蔓延，讓整個(gè)系統(tǒng)燒毀。消防安全措施針對(duì)性不強(qiáng)，95%的消防使用的是七氟丙烷，但這僅對(duì)消滅小范圍明火有效，在復(fù)燃或大面積燃燒時(shí)，并沒(méi)有效果。

欲了解更多中國(guó)電池行業(yè)的未來(lái)發(fā)展前景，可以點(diǎn)擊查看中研普華產(chǎn)業(yè)院研究報(bào)告《2023-2028年中國(guó)電池行業(yè)市場(chǎng)深度全景調(diào)研及投資前景分析報(bào)告》

• 相關(guān)深度報(bào)告REPORTS

  

  2023-2028年中國(guó)電池行業(yè)發(fā)展前景戰(zhàn)略及投資風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)分析報(bào)告

  電池是一種能量轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存的裝置，其行業(yè)細(xì)分且品類(lèi)較多。電池制造業(yè)在我國(guó)既是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，又是新能源產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，與新能源汽車(chē)、可再生能源、現(xiàn)代電子信息、新材料、裝備制造等多個(gè)戰(zhàn)略...

  查看詳情

延伸閱讀

推薦閱讀

猜您喜歡