在大规模储能领域,一方面储能系统的能量、功率等级高,使用电池数量巨大,另一方面由于电池生产制作技术水平提高,电池单体容量从A·h级别扩展到百A·h级别。这两方面使大规模储能系统发生安全事故的概率增加,并且一旦发生安全事故造成的后果和危害也比较大,甚至可能会产生二次灾害。一般来说,锂离子电池具有稳定的结构,锂离子在充电/放电过程中在正极和负极之间转移,可以有规律地循环相当长的时间。然而,由于滥用因素的影响,原有的稳定结构将受到破坏,产生热危害。影响电池老化的因素主要有物理、电气、热、制造缺陷等。由于锂离子电池固有的危险性,电池生产商为锂离子电池设计了几种安全装置,如泄压阀、电流切断装置(current interrupt device, CID)、正温度系数热敏材料(positive temperature coefficient, PTC)等装置。 火灾科学国家重点实验室孙金华教授以通讯作者身份发表在《Progress in Energy and Combustion Science》期刊上,题目为“A review of lithium ion battery failure mechanisms and fire prevention strategies”的评论文章,王青松特任教授和毛斌斌博士生为该论文的共同第一作者,马里兰大学Stanislav Stoliarov副教授为合作者。该论文结合孙金华和王青松团队十多年来在锂离子电池安全方向的研究成果和国际研究动态,总结、归纳了锂离子电池安全研究的最新进展,分析提出了锂离子电池热失控的孕育机理和成灾机制,并对其安全研究方向进行了展望。 锂离子电池由于其能量密度高、循环性能优良以及无记忆效应,成为便携式电子产品的主导电源,并在电动汽车以及储能电站等领域得到了广泛的应用。但由于其能量密度高以及易燃易爆的组成成分,在热、电或机械滥用条件下,极易发生热失控燃烧(图1),近年来由于锂离子电池热失控引发的火灾事故屡见报导。该论文首先基于锂离子电池的结构特性和组成材料,分析了锂离子电池在不同温度下主要化学反应的动力学和热力学特性,理清了热失控过程的主控反应,详细讨论了锂离子电池在典型滥用情形下热失控的孕育机制(图2);其次介绍了单体电池和电池模组的火灾行为,以及电池产热、产气和热失控扩展的行为特征,分析揭示了电池荷电状态、电极材料和电解液等对电池火灾行为的影响规律;
图3 不同荷电状态下的电池内部化学反应过程第三,进而对锂离子电池火灾防控技术研究现状进行了综述,分析了提升锂离子电池本质安全性技术方法的优缺点,并对电池火灾灭火技术进行了归纳、总结和评述;最后,论文对电池安全性的未来研究方向进行了展望。