1范茂松 梯次利用电池安全性研究及对策

梯次利用电池安全性研究及对策 中国电力科学研究院有限公司 2019-5-20 1 1 研究背景 1 安全是储能系统的第一要素； 目前大量应用的锂离子电池采用有机溶剂体系，会发生热失控，引起连锁反应； 近几年国内外发生了多起储能电站安全事故。 韩国已累计发生 21次安全事故。 4月 19日亚利桑那储能电池火灾 国外储能系统事故 1 2018年 8月国内某用户侧储能电站火灾，磷酸 铁锂电池，烧毁一个集装箱。 2017年 12月山西某电厂储能 系统发生火灾。 国内储能系统事故 1  我国电动汽车进入快速发展期， 2018年销售 125.6万辆 ；  未来动力电池退役量快速增加，预计 2020年动力电池退役量将达 20GWh。 1.76 7.48 33.11 50.7 77.7 125.6 0 20 40 60 80 100 120 140 2013 2014 2015 2016 2017 2018 20 26 31 43 63 93 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2020 2021 2022 2023 2024 2025 动力电池退役量（ GWh）电动汽车销量（万辆） 电动汽车 动力 电池生命历程 （价值链） 梯次利用 资源回收动力 电池 1  梯次利用可提升动力电池全寿命价值，降低储能系统成本而受到广泛关注；  国内外建设了多个梯次利用电池储能系统的示范工程。 宝马汽车日本 4R能源 上海煦达中国电科院 与新电池相比，梯次利用电池的安全性怎么样  是否更易发生热失控？  发生热失控后的反应剧烈程度如何？ 1 2 梯次利用电池安全性研究 1 安全性能测试 该退役电池可通过电动汽车标准中各项安全试验。 过充前 过充后 1. 过充实验 （ 1C 5V/90min） 2.过充实验 (1/3C,0V) 过放前 过放后 加热前 加热后 短路前 短路后 3. 加热实验 （ 110℃ ， 30min） 4. 短路实验 （ R5mΩ 10min） 实验项目 实验现象 判定标准 判定结果 过放电 电池无爆炸 、 无起火 、 无漏液 不爆炸 、 不起火 、不漏液 合格 过充电 电池无明显温升 ， 电池无爆炸 、无起火 、 无漏液 不爆炸 、 不起火 合格 短路 实验最高温度 70℃ ， 电池无爆 炸 、 无起火 不爆炸 、 不起火 合格 跌落 电池无爆炸 、 无起火 、 无漏液 不爆炸 、 不起火 、不漏液 合格 加热 电池无爆炸 、 无起火 、 无漏液 不爆炸 、 不起火 合格 挤压 电池无爆炸 、 无起火 不爆炸 、 不起火 合格 针刺 电池无爆炸 、 无起火 不爆炸 、 不起火 合格 参照 QC/T 743-2006标准 （ 1）退役锰酸锂电池安全性研究（ 90Ah） 1 （ 2）退役磷酸铁锂电池安全性研究（ 22Ah） 滥用实验 过充 过放 短路 跌落 加热 挤压 针刺 该型号电池可通过 动力电池各项安全 试验。 参照 GB/T 31485-2015标准 1 （ 3）退役磷酸铁锂电池安全性研究（ 200Ah） 滥用实验 -过放电 电池类型 电池 容量 /Ah 测试前电压 /V 重量 /kg 电池表面最高温度 /℃ 现象 测试前 测试后 正极 负极 表面 新电池 199.76 3.380 6.023 6.025 51.8 56.6 56.1 电池发鼓 梯次电池 167.53 3.349 6.005 6.005 34.5 37.2 34.0 新电池 梯次电池 新电池 梯次电池 过放后照片 1 （ 3）退役磷酸铁锂电池安全性研究（ 200Ah） 滥用实验 -短路 电池类型 电池 容量 /Ah 测试前电压 /V 重量 /kg 电池表面最高温度 /℃ 现象 测试前 测试后 正极 负极 表面 新电池 201.21 3.334 5.964 5.964 46.8 50.5 31.1 极耳连接 片熔断梯次电池 164.77 3.348 6.054 6.053 52.6 54.7 40.6 新电池 梯次电池 新电池 梯次电池 短路后照片 1 （ 3）退役磷酸铁锂电池安全性研究（ 200Ah） 滥用实验 -挤压 电池类型 电池 容量/Ah 电压 /V 重量 /kg 电池表面最高温度 /℃ 现象 测试前 测试后 测试前 测试后 正极 负极 表面 新电池 200.67 3.372 3.370 5.963 5.963 28.2 28.4 28.2 挤压处轻 微凹陷梯次电池 167.25 3.367 3.354 5.980 5.970 26.0 25.6 25.2 新电池 梯次电池 新电池 挤压后照片 梯次电池 1 （ 3）退役磷酸铁锂电池安全性研究（ 200Ah） 滥用实验 -针刺 电池类型 电池 容量 /Ah 测试前电压 /V 重量 /kg 电池表面最高温度 /℃ 现象 测试前 测试后 正极 负极 表面 新电池 197.78 3.368 5.952 4.648 192.2 226.0 231.7 电池冒烟 梯次电池 167.167 3.344 5.902 4.680 166.3 150.1 157.9 新电池 梯次电池 新电池 针刺后照片 梯次电池 1 3 安全风险对策 1 场站设计 消防供电 排烟逃生 通风空调 检测预警技术 防护技术 消防技术 施工安装 电池材料和生 产工艺 储能本体应用 配套设施 储能系统的整体安全 现有电池体系 （磷酸铁锂、三元） 本征安全体系 （全固态电池） ➢ 电池成组技术； ➢ 防爆隔离技术； ➢ 阻燃隔热技术 . ➢ 水、细水雾法； ➢ 七氟丙烷法； ➢ 气溶胶法 ➢ Novec 1230； ➢ 降温抑制复燃技术； . ➢ 阻燃电解液及添加剂； ➢ 改性陶瓷隔膜； ➢ 正温度系数元件； ➢ 电芯及壳体设计 … ➢ 火感、温感、烟感； ➢ 热失控预警技术； ➢ 温感光纤等传感技术； ➢ 电解液泄露检测技术； ➢ 状态预警技术 …. 防雷接地 给水排水 1 电池安全预警技术 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2 .7 0 2 .7 5 2 .8 0 2 .8 5 2 .9 0 2 .9 5 3 .0 0 3 .0 5 梯次电池 新电池 V o lt a g e /V Battery co d e 0 10000 20000 30000 40000 50000 23 24 25 26 27 28 Temperature/℃ Ti m e /s 1 # -ca t h o d e T AB 4 # -a n o d e T AB 1 # -ri g h t 1 # -si d e 4 # -si d e R T 建立电热耦合模型分析电池内部温度 预警 指标 运行状态管理控制指标阈值 模组内单 体电压极 差（ mV） 最低电压 大于 3V时 ≤ 120 120-200 ≥ 200 正常运行 系统预警， 但可继续 运行 系统立即 停机 最低电压 在 2.8-3V 之间时 ≤ 200 200-300 ≥ 300 正常运行 系统预警， 但可继续 运行 系统立即 停机 最高温度 （ oC） ≤ 40 40-45 ≥ 45 正常运行 系统预警，但可继续 运行 停机检查 电池温升 （ oC） ≤ 5 5-8 ≥ 8 正常运行 系统预警， 但可继续运行 系统立即 停机 电池温度 极差（ oC） ≤ 5 5-8 ≥ 8 正常运行 系统预警， 但可继续运行 系统立即 停机 1 电池安全防护技术 在电池之间加入高性能阻燃隔热材料 过 充 模 块 1. 1C过充其中一个 5P电池组； 2. 2. 至少其中 3块电池起火后，启动灭火； 3. 30min后开箱检查试验结果。 1 电池安全防护技术 未引发热失控蔓延热量被有效隔离 1 电池灭火技术 针对电池火灾的常规灭火技术（灭火介质） 七氟丙烷 （ CF3CHFCF3），是一 种以化学灭火为主兼有物 理灭火作用的气体化学灭 火剂，其无色、无味、低 毒、不导电、不污染被保 护对象，能以较低的灭火 浓度（ ≤10%），扑灭 B、 C类火灾及电气火灾。 灭火效果有限； 不能抑制复燃。 Novec1230 属于氟化酮类物质， 美国 3M公司研制 开发，在常温下是 一种无色、微味、 容易气化的液体灭 火剂，释放后不留 残余物，无腐蚀性。 无法持续降温； 抑制复燃效果有限。 热气溶胶 灭火剂是通过固体氧化剂与还 原剂发生化学反应（燃烧）而 产生的固体与气体混合物。其 中固体颗粒主要是金属氧化物、 碳酸盐或碳酸氢盐、碳粒和少 量金属碳化物（主要是钾和钾 盐），气体产物是 N2、 CO2 和少量 CO。 不具备降温功能； 抑制复燃效果有限。 1 电池灭火技术 技术优势 1. 采用自主研制的锂离子电池 专用气液复合灭火剂； 2. 根据不同类型电池采取不同 的灭火策略； 3. 具有自动判定、自动启动灭 火功能； 4. 能够在 5s内快速扑灭明火 ，且 24小时无复燃； 5. 成本低，对其它未着火电池 和环境危害小。 中国电科院在多年电池安全性研究基础上，开发了电池自动灭火装置。 1 电池灭火技术 基本参数 气液复合灭火剂 容量 20L 工作电压 DC9-36V 工作电流 25mA 工作温度 -40℃ ～ 85℃ 工作湿度 95% 报警方式 智能仪表、独立显示终端 控制灭火器方式 自动、手动 1 电池灭火技术 ⚫ 灭火装置自动响 应时间为 0.5s； ⚫ 灭火装置从接收 释放信号到明火 扑灭为 3.5s； ⚫ 复燃抑制剂喷射 结束后 24h内未 出现复燃现象。 电池自动灭火装置已通过国家消防装备质量监督检验中心的检测。 1 电池灭火技术 序号 类型 产品型号 功能描述 目标应用 1 大型 QMQ2.5/70N 气液复合灭火剂容量：80～ 150L 储能电 池系统(≥2MWh) 2 中型 QMQ2.5/40N 气液复合灭火剂容量：40～ 80L 储能电 池系统(500kWh～ 2MWh) 3 小型 QMQ2.5/10N 气液复合灭火剂容量：10～ 40L 分布式储能装置、 纯电动大巴车、特种车 、 乘用车。 1 4 小 结 1 与新电池相比，梯次利用电池热失控后的 剧烈程度有所降低 ，这可能由于梯 次利用电池能量较小的缘故； 随着电池容量保持率的降低，梯次利用电池自反应产热温度、 热失控起始温 度也越来越低 ； 针对不同状态的梯次利用电池，应明确其在不同储能工况下的安全运行边界 条件，并据此 制订运行过程中的安全预警策略 ，同时结合在不同工况下的衰 退特性，在确保安全使用的前提下，最大化梯次利用电池的剩余价值； 对于热失控后的电池，需根据其起火燃烧特性 选择合适的灭火剂 ，再结合电 池成组方式，制定有效的灭火策略。 谢 谢 Thanks for Your Time