摘要：磷酸铁锂电池储能技术的优势，在于充放电快、功率密度高、寿命长，成为储能领域应用空间和前景广泛的技术。不过，安全问题始终是大规模推广最大的挑战。热失控是磷酸铁锂电池的一种固有风险，或将引起火灾、爆炸。磷酸铁锂电池储能系统火灾有多种不同的消防方法，如全氟己酮、水或是七氟丙烷。本文分析了磷酸铁锂储能系统典型的热失控行为，接着从确保电池本体安全、优化电池管理系统、加强火灾防控配置这几个方面，探讨磷酸铁锂储能系统火灾的抑制方法。 关键词：磷酸铁锂电池；储能系统；火灾抑制；热失控
引言
电化学储能的能量密度较大，产业链相对成熟。和其他储能技术相比，在投入成本、场景应用、建设周期还有转换效率上均占优势，有较高的增长潜力。锂电池储能系统，其显著趋势在于充放电快、循环寿命长。但由于过热、充放电过度或是短路等原因，可能引起热失控。该情况下，系统会释放较多的热量、易爆物质，从而触发火灾、爆炸。
1磷酸铁锂储能系统热失控诱因分析
1.1电池本体故障
投入使用前，如果磷酸铁锂电池的生产原料、工艺不合格，必然会降低电解液和负极材料本身的耐热稳定性，影响电极性能。一旦隔膜表层存在毛刺，隔膜遭到损伤，则易引起电路短路。电解质中的含水量过高，电池压力也会增加，影响安全性，造成电池失效。考虑到运行环境不佳，加上后期未做好维修，电池寿命也会缩短，降低材料耐热性，引起热失稳。
1.2设备本体不足
电池储能系统，其外围护结构大多为预制舱，将储能电池、支架和通风等作为辅助设施，预制成一个整体。它的优势在于：易于安装、自由移活、建设周期短。尽管符合企业或是行业对于质检方面的要求，但在部分气候环境差，尤其风沙、盐雾极端天气多的区域，考虑并不周全，此时极易引起腐蚀、降低耐久性。由于预制舱中设备相对紧凑，其线路交叉紧密，一旦处置不当，可能会有漏电、短路等不良隐患。
1.3技术支撑不足
2021年，国家能源局先后颁布了《新型储能项目管理规范(暂行)》、《电化学储能电站安全管理暂行办法(征求意见稿)》两部纲领性文件。不过，安全管理或是应急处置并未制定详细、科学的标准规范。由于技术条件的缺乏，有些设计人员不到完善的技术规范，致部分早期投入运行的电站存在功能性、安全性问题。
1.4电滥用
电站运行期间，磷酸铁锂电池可能存在过充、放电现象，引起内部短路。电池过充时，当电压扩大后，其正极脱锂现象也会逐步加剧。当电阻上升后，尤其高倍率过充状态下，其危险系数也会大幅地增加。考虑到负极石墨没有很好的嵌锂能力，过充电必然会产生锂枝晶。在穿刺、高温条件下，隔膜也会熔融，引起内短路。当这些副反应实际的放热速率高于电池本身的热散失速率，热失控现象也就随之发生。考虑到生产工艺存在差别，电池性能同样也有很大不同。同个厂家、同个批次生产的电池，也无法做到完全一致。当处于不同的使用工况下，有些电池由于长期超充放电，引起其他安全隐患。
1.5热滥用
工作温度失控，同样也是热滥用的诱因。一旦电池管理系统存在故障，如充放电控制器故障，则电池也会有过充放的风险。温控元件存在故障，电池温度超出正常水平；传感器故障，电压和温度检测不当，则电池管理系统也会暂停运行，甚至发出误操作；散热通风系统陷入故障，热量大幅集聚，难以分散，从而引起过热。电站处于无人值守的状态，无法动态监测磷酸铁锂电池的运行温度，特别是大热天，热量高，此时电池也会处于过热，或热失控。
1.6机械滥用
机械滥用，体现为如下几个方面：装配工艺滞后，运输不当，外力伤害，如磷酸铁锂电池在中途遭到挤压、跌落，导致电池挤压、断裂；隔膜受损，内部电路存在故障；电池泄漏，电解液直接与大气接触，引起热失控。
2磷酸铁锂电池火灾抑制方法
2.1改善电池结构
从构成上看，磷酸铁锂电池涵盖了正极材料(磷酸铁锂)、电解液、负极材料(石墨)以及隔膜等
多个不同的部分，材料失效成为安全事故的根本诱因。为确保安全，有必要增加材料稳定性。在石墨负极表面上提前涂抹一层耐火氧化物(Al2O3) ，当隔膜熔融或是流动，能够防止正、负极相互接触。在隔膜表面上抹上一层覆陶瓷，也可以选择高温隔膜，往电解液中掺入一定的阻燃添加剂，使其产生阻燃电解液，均可提高电池安全性。利用纳米级PTC高分子材料，在电极材料外表上进行涂敷，以保证正温度系数敏感特性。当温度上升后，电化学反应也会随之中断，从而减少热失控。热扩散，需要在电池外表上涂抹一层膨胀物质，吸收其热量，防止连锁热失控。除上述外，以固态电解质取代原来的有机电解液，优化力学性能，减轻锂树枝状穿透引起的损伤。既能解决短路问题，又可以防止电解液燃烧。
2.2优化BMS电池管理系统
为防止电池过充、过流或是过压等系列问题，有必要安装一个BMS电池管理系统。精准选择取样点，实施动态监测。全面测量电池电压、电流和荷电状态，在自动平衡的同时，实现智能化监控。特别是BMS热量管理技术，搭配使用智能化工业空调，可以设计一款高效散热通风系统。一方面，对各个单体电池温度进行监测；另一方面，使电池保持一种安全的工作温度。即便高温、极寒环境，电池也不易过温、低温。一旦温度存在异常，需马上反馈，立即断电，开启高效散热通风、消防系统，将事故扼杀于热失控早期。
2.3优化火灾防控配置
2.3.1提升热失控阻断水平
不论电芯还是集装箱，均需选择阻燃、防火材料。例如，电芯负极可以增设一个热阻层、使用阻燃电解液；模组塑料件，要选取最高V0阻燃等级；而模组底部，选用玻纤维石棉，防止热失控再度扩散。
2.3.2设置火灾报警系统
关于火灾探测器，除感温、感烟探测器外，我们还要在舱内额外安装H2、CO、VOC气体探测器，利用特征性气体来发起报警。从锂离子电池中，我们可以提取热失控气体，将其运用于储能电站火灾报警系统。采集CO、碳氢气体，也是报警的根本。除上述外，开启消防系统前，需要提前断开电池舱断路器。
2.3.3设置自动灭火系统
在国内电池储能电站中，七氟丙烷燃气灭火系统是十分普遍的灭火系统。从构成上看，涵盖
了灭火剂贮存箱、喷淋头、电磁启动器、压力表和气体管路等多个不同的部分。自动灭火系统本身属于淹没式系统，一旦火灾形成，在规定时限内就可以往预制舱箱中喷射充足的灭火剂，填满整个保护空间。要知道，七氟丙烷对我们的健康存在一定的毒性。因此，扑救前需要为人员撤离提供30s左右的时间。防火区内，灭火剂的LOAEL浓度最大值必须＜有毒反应LOAEL浓度的10.5%。箱体口需要设置清晰的标志，便于人员车里。同时，所有门也要从内到外打开。七氟丙烷气体味道重，在箱体底端沉积。因此，箱体下部同样也要安装一个换气装置。当火势被熄灭后，室内、外可以保持通风。箱体入口处，需要安装一个喷射指示灯，当有气体喷射后可以保持长亮，至通风换气后，才能手动进行解除。
2.3.4完善泄压装置
将排风扇充分地和可燃气体检测系统进行联合，一旦可燃气体超出设定浓度，此时打开排风扇，可燃气体浓度也会下降至爆炸下限。如果热失控，消防系统没有办法扑灭，集装箱压强反复扩增，甚至内部爆炸，此时泄爆装置也会自动弹开，立即泄压，确保人员安全。
3 结束语
磷酸铁锂电池存在热失控致火的危险，预制舱空间相对闭塞，能量密度高，具有较高的火灾危险。为此，需要及早探测并对热失控电池进行定位，喷射灭火剂，这是确保电池管理系统安全的根本。伴随自动化、智能化新技术的推广和专业人士的持续研究，磷酸铁锂储能电站的火灾防控方案必然会日益丰富、完善，储能电站必将朝着更加安全的方向健康发展。
参考文献
[1] 李首顶，李艳，田杰，等.磷酸铁锂电池电力储能系统消防安全现状分析[J].储能科学与技术，2020，9(5):1505-1516.
[2] 卓萍,高飞,路世昌.不同灭火装置对磷酸铁锂电池模组火灾的灭火效果[J].消防科学与技术,2022,41(2): 152-155.
[3] 赵蓝天,金阳,赵智兴,等.磷酸铁锂电池模组过充热失控特性及细水雾灭火效果[J]. 电力工程技术,2021, 40(1): 195-200.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议