大容量储能电池模组热失控传播行为与燃爆风险分析

  浩博电池网讯：本文亮点：基于实尺度试验，对储能用280Ah磷酸铁锂电池单体的产热、产气特征以及1P48S真实储能电池模组的热失控扩散行为进行了研究，并基于产气结果分析了电池模组燃爆风险

  随着“碳达峰”“碳中和”目标的不断推进，依托储能技术来支撑新型电力系统的构建已成为能源结构优化转型的重要任务。基于此，以锂离子电池储能为代表的新型储能产业近年来得到了飞速发展，根据中关村储能产业技术联盟的不完全统计，2023年我国新型储能新增投运规模21.5 GW/46.6 GWh，是2022年新增投运规模水平的3倍。然而，锂离子电池储能产业高速发展的同时，因电池热失控而引发的安全问题亦日趋严峻。继2021年北京大红门储能项目发生火灾爆炸事故后，全球锂离子电池储能电站又先后发生了十余起重大安全事故，安全已成为制约产业进一步发展的瓶颈。

  目前，我国锂离子电池储能电站主要采用280 Ah磷酸铁锂(LFP)电池，LFP电池热失控后一般不产生火焰，但会释放出大量因内部反应而生成的可燃混合气体，且随着热失控在电池模组内的蔓延，大量可燃气体排放入储能舱等受限空间内，存在一定的燃爆风险。近年来，国内外研究人员对LFP电池的热失控特征与热失控传播行为进行了一定程度的研究。李磊等研究了过充触发的LFP电池和NCM电池的热失控行为差异。梅文昕等通过数值模拟方法，研究了LFP电池在6种不同高温加热条件下的热失控特征和温度分布。Huang等试验研究了不同加热部位对LFP电池热失控温度、排气速度以及内部热失控传播过程的影响。在与燃爆相关的电池热失控产气特征方面，Yang等和程志翔等分别对8类圆柱形LFP电池和大容量LFP电池进行了热失控试验，分析了主要气体成分，发现H2和CO2的占比均超过30%。Jia等通过对86 Ah储能用LFP电池的热失控试验，对比分析了过充和过热触发条件下电池热失控-产气行为，发现两种触发条件下热失控产气的主要成分为CO2、C2H4、H2、CO和CH4，总产气体积分别为101.28 L和62.1 L。

  对电池成组后热失控的扩散问题亦是研究人员关注的重点。张青松等研究了不同SOC及不同排列间隔的锂离子电池组热失控传播特性。王庭华等在模组箱内进行了3块86 Ah LFP电池的热失控传播实验，发现箱体空间内有限的氧气供给会对热失控传播起到减速作用。Zhou等通过对50 Ah LFP电池组成的模组进行热失控传播实验，重点研究了垂直方向上的热失控传播特性。Song等通过实验分析了不同SOC下280 Ah LFP电池在热失控传播过程中的温度、传播时间和速度等关键特性参数，揭示了大尺度LFP模组热失控传播过程中的能量流分布。此外，研究人员还采用数值模拟的方法，研究了电池模组热失控传播过程中的产气行为和模组内的气体扩散特征。不难发现，现有对LFP电池热失控特征、传播行为与燃爆方面的研究主要是基于中小尺度实验，对目前实际储能应用场景使用的大容量LFP电池单体热失控特征参数，特别是燃爆相关参数，以及真实电池模组热失控传播特征的研究还有待进一步完善，对真实模组热失控扩散后燃爆风险的认识与评估有待进一步加强。

  本文以储能用280 Ah磷酸铁锂电池及其组成的1P48S真实储能电池模组为研究对象，通过从单体到模组的连贯性实验，对电池单体的产热、产气特征以及真实模组内的热失控蔓延行为进行定量分析，在此基础上，结合储能不同应用场景，来评估不同尺寸受限空间内模组级热失控导致的燃爆风险，相关结果可为电池模组热阻隔设计和储能系统防爆设计提供参考。

  1 实验装置与方案

  1.1　实验对象

  以规模化储能使用的280Ah磷酸铁锂电池为单体研究对象，电池的相关参数如表1所示。实验使用的真实模组是由48块280 Ah电池单体串联而成的液冷模组，模组箱体尺寸(长×宽×高)为1068 mm×786 mm×251 mm，整个模组重量约为329 kg，模组实物如图1所示。

表1 实验用电池基本参数

图1 模组实物图

  1.2　实验装置与实验方案

  （1）单体电池热失控试验

  对于单体电池，利用密闭压力容器进行热失控实验以收集热失控产生的混合气体，进而利用气相色谱仪和爆炸极限测试仪来测量混合气体的组分和爆炸极限。压力容器内部空间为320 L，配套有抽真空系统、充氮系统、加热系统和3路气体采样系统，同时集成了压力传感器和多路热电偶等数据采集系统，实物如图2所示。实验时，根据GB/T 36276—2018《电力储能用锂离子电池》的有关要求，选择功率为800 W加热板设置在电池一侧，并在两侧放置云母隔热板以减少散热，将电池、加热板和隔热板用夹具进行固定后放置于压力容器内支架上。在电池表面布置7个热电偶测温点(T0—T6)，分别位于电池加热面中心，电池非加热面上、中、下位置，电池侧面中心以及负极和安全阀附近位置，如图3所示。

图2 320L电池热失控试验装置

图3 电池单体热电偶布置示意

  实验过程中，除测量电池表面温度外，还有多路热电偶测量压力容器内环境温度。当电池热失控后容器内的压力稳定、温度恢复室温后，开启采样系统收集混合气体，并将收集到的混合气体通入GC2000气相色谱仪中来分析气体组分，进而采用爆炸极限测试仪来测定混合气体爆炸极限，整个实验的示意如图4所示。

图4 单体电池热失控实验示意图

  （2）电池模组热失控扩散试验

  对于真实电池模组，在相对开敞的空间内进行模组热失控传播实验。模组内分四排布设共48块280 Ah的LFP电池，选择一排中心处2块电池(18#、19#)同时进行双面加热，为了降低热量在电池间传递，未与加热板接触的电池之间设置有气凝胶隔热板。在与加热板接触17#、18#、19#、20#电池的两个大面中心位置和负极区域(T19~T22)均布设热电偶，其余电池在远离加热板的大面中心位置布设热电偶。在上下相邻排电池侧表面亦设置多个热电偶，具体电池和热电偶布置与编号情况如图5所示。此外，为了测量模组箱体外壳温度，在外壳表面除底面外的各面上均布设热电偶。实验时，通过加热系统控制电池表面以5℃/min的速率进行升温，直到电池出现明显的热失控温升现象时关闭加热系统，进而观测模组内热失控传播情况。

图5 真实模组内热电偶布置示意图

  2 单体电池热失控产热、产气特征

  针对储能用100%SOC的280 Ah磷酸铁锂单体电池，研究热滥用条件下电池的热失控行为、温度变化规律及产气组分和爆炸极限特征。

  2.1　电池温度分析

  图6给出了压力容器内电池表面典型位置处温度T4以及电池电压随时间的发展变化情况。由图可知，试验开始后，加热板表面温度持续升高，由于T4测点靠近加热面，在热传导作用下温度呈近线性升高趋势。当加热开始后8 min13 s，电池安全阀打开排气，电池电压出现一定程度的下降和扰动，T4测点温度来到约107.9 ℃，由于安全阀排气带走了一定的热量，在焦耳-汤普逊效应下温度下降约8 ℃。随着电池内部反应的逐渐加剧，在11 min23 s时电池发生热失控，电池电压开始出现急剧的下降，此时T4测点温度为209.5 ℃。热失控发生后电池表面温度迅速上升，在15 min18 s时达到最高温度约351.8 ℃。随后，电池内部反应基本停止，温度逐渐下降。

图6 典型测点温度和电压变化

  电池表面不同位置测点测得的温度随时间的变化情况如图7所示。从图中可以发现，由于不同位置传导而来的热量不同，各测点升温速度有所区别，安全阀处T6测点温升最快，在排气开始时温度已达到121.2 ℃，为各测点温度中最高值，但热失控发生后该位置升温速率有所放缓，最高温度仅243.5 ℃。除T6和T4测点外，其他位置测点在加热初期温度上升均相对缓慢，特别是非加热大面的中部和下部测点，在安全阀开启时温度分别为38.9 ℃和50.8 ℃，电池热失控发生时温度分别为66.7 ℃和101.8 ℃，其中中部位置测点T2热失控发生时的温度为所有测点中最低。当热失控发生后，非加热大面的3个测点温度出现快速上升，升温速率显著增大，最高温度分别为380.1 ℃、360.5 ℃和341.1 ℃，其中T1测点的最高温度为整个热失控过程中电池表面温度的最大值。

图7 电池表面各测点温度变化

  2.2　电池热失控产气组分与爆炸极限分析

  根据320 L压力容器内的压力测量结果，容器内温度恢复至室温25 ℃且压力稳定时的舱内压力为151.6 kPa。利用理想气体状态方程来计算压力容器内的气体量：

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