摘 要 地下空间电源应用场景特殊，民用方面一般是矿山、特别研究机构、地铁设施、海底隧道、地下建筑等；国防方面如军用地下掩体、地下防空设施等。这些地方对电池能量密度和使用安全要求非常高，本研究从隔离材料、防爆安全模组、防滥用电路设计以及故障临界熔断机制等方面进行了防爆冗余设计研究。二次离子电池通过循环充放电，由离子在正极和负极之间移动实现电路中电荷移动来工作。锂离子电池是以在元素周期表中排名最靠前的金属锂作为二次离子电池的金属材料，在充放电过程中，是锂离子在正负电极之间循环嵌入和脱嵌过程：充电时，锂离子从正极脱嵌，通过电解质后嵌入负极储存区，此时负极处于富锂状态，完成充电过程；放电过程则相反。锂因其是最轻最活跃的金属，其电化学反应比较快，是电极电位最负的金属，可以得到最大的电动势，电池获得高能量密度。图1为锂离子电池结构示意图。
图1 锂离子电池结构示意图因为锂的特性而被选为高能量密度电池材料，也正因为其化学特性活跃，在使用时极易发生火灾乃至爆炸。根据专业调查机构统计，自2017年以来，全球发生了多起重大锂离子储能电站电池燃烧和爆炸事故，如图2所示。
图2 锂离子储能电池重大火灾事故统计通过调查分析，发现锂离子电池燃烧乃至爆炸主要由下列原因引起：（1）短路：由金属杂质、析锂晶枝穿透隔膜材料和电极毛刺等造成短路；（2）使用不当（滥用）造成电路故障，包括过充电、过放电和高温滥用。因地下空间高能量密度要求而选用锂离子电池，所以本研究针对高安全性要求进行研究。2 地下空间高安全要求高能量密度电池防爆技术解决方案
在地下空间高安全要求高能量密度防爆电池设计上，针对可能发生燃烧或爆炸的防范点，从防爆顶盖、充放电保护电路到隔离材料等方面采取防爆设计，确保满足地下空间高安全要求高能量密度电池防爆要求。在锂电池顶盖部分集成两种防爆方法：断路防护和泄压防护。断路防护是将电池内密封片与极芯之间焊点作为断路点，通过焊点焊接工艺确保焊点在设定值时被拉断。当电池内气压增大到焊点设定值时，密封片压变形并随压力增加变形加大，直到作为断路焊点被拉断，达到切断电路目的。泄压防护是在电池顶盖上设置泄气阀，泄气阀部分设计加工一处材料较薄且易于打开，当电池内气压升高到足够高时，较薄的材料之处裂开，电池内部气体向外排放实现减压。就地下空间高安全要求高能量密度锂电池来说，采用在电池顶盖上集成断路和排气防爆装置设计，制成防爆顶盖并集成为防爆安全模组[1,2]，见图1。安全模组工作主要由两部分组成。断路：放电电流过大时，电池内部受热温度达到一定程度后，电池内部结构发生变化，翻转片在一定的压力下发生翻转，电路断开，而此时，电池内部电阻大幅增加，阻止电池放电，实现在电池外部短路时保护电池的功能。如果电池内部温度继续上升达到热失控状态，电池内压也继续上升，电池顶盖防爆片将被冲破，电池内电解质随高压气体喷出[3]。防爆片的几何设计（图3）就是在基片上，加工腰型减薄槽，腰型减薄槽底部厚度不超过0.08 mm，槽肩部宽度为0.2 mm，形成槽截面为80°角。该减薄槽防爆阀值爆破压力为（0.9±0.2）MPa，电池组模组内气压力超过爆破阀门值范围时，通过减薄槽处爆裂释放容器内压力，保护电池模组容器。
图3 防爆片结构安装示意图翻转片的几何设计（图4）是在翻转片上设计一个ϕ15 mm的减薄翻转膜片区并在同心中央处设计减薄应力承受平台，翻转膜片工作气压一般设计为（0.5×0.15）MPa，中央减薄应力承受平台工作气压为0.35 MPa～1.2 MPa。
图4 翻转片结构安装示意图1.SSD翻转片 2.顶盖片 3.下塑胶盖 4.上塑胶盖 5.铆接铝盖
SSD翻转片中央部位在衍生气体的顶压下，顶托SSD翻转片。翻转片中央的减薄应力承受平台被顶出凸台的外端端面将向外凸出，接触电池模组中其他感应件，释放信号，让容器内压力释放，以保护单体电池其他部位的安全，从而起到保护单体电池块及电池模组的作用。使用不当（滥用）会造成电池容量下降并可能造成因电路故障带来的燃烧和爆炸风险。本研究选用防过充、防过放和保险丝熔断等电路设计防止锂离子电池因热失控造成燃烧和爆炸事故[4]。同时该电路还优化充放电设计，从电路设计上最大程度优化电池使用方法并起到延长电池使用寿命作用，从而防止锂离子电池爆炸事故发生[5]。研究数据表明，锂离子电池充电到略高的电压会得到更高的单周期电量，但这种状态只能在初期维持较短时间，在充放电约100次以后电池容量会快速衰减，如锂离子电池的循环寿命和充电截止电压的关系[6]。从关系图中可以看出充电截止电压设定为4.2 V时，电池充放电容量衰减较慢。数据显示4.2 V作为截止电压，电池充电循环次数500次左右时，仍然有超过80%的容量，所以电路设计选择4.2 V作为充电截止电压。综合锂离子电池充电效率、使用寿命、充电安全等因素，选择CC-CV充电模式。为了满足地下空间高安全要求，考虑到对于电量不确定的电池上来就按照恒流进行充电，会给电池造成更大的损坏，所以本研究对充电模式更细化，在充电模式上分为三阶段充电。阶段一：电源管理系统（BMS）首先测试电池电压，当电池电压低于2 V时，会以很小的电流唤醒电池；当侦测到电压达到2 V时，进入预充模式，也叫涓流充电，即当电池电压处于2 V～3 V之间时，会以恒流充电的1/10或者1/20电流大小进行预充。阶段二：恒流充电，当电池电压升至3 V以上时，以恒流模式对电池快速充电。阶段三：恒压充电，当电池电压达到4.2 V时，以恒压模式对电池充电。此时充电电流逐渐降低，当充电电流约为恒流充电电流的1/10时，停止充电。在对锂离子电池进行放电研究时发现，在相同温度条件下，不同的放电倍率对电池容量有不同的影响：放电电流越大，电池的容量下降越快；容量越低，电池的标称容量使用越不充分。结合实际使用情况考虑，设计研究选择0.2 C放电倍率。地下空间锂离子电池防爆保护电路设计主要由控制IC、MOS管和最后防爆手段熔断保险丝(FUSE)等组成。在优化充放电保护功能电路基础上，增加了温度检测、电池在位检测和极端情况时熔断以保护电路。保险丝在关键时刻起熔断功能，当前面防爆设计未能有效防止事态恶化，保险丝通过熔断在硬件电路上止损。电池充电时，电流从充电端的正极流入，经过保险丝后从电芯负极流出，此时两个MOS管均是导通状态。充电时，控制IC通过VDD和VSS之间的电压反馈值与过充截止电压比较，当这个电压大于等于过充截止电压且满足过充电压的延时时间时，控制第3脚来关闭MOS管的Q2。Q2被关闭之后，充电回路被切断，起到过充保护作用。当电池加负载放电时，电流方向与充电时相反。放电时，控制IC通过监测VDD和VSS之间的电压并与过放截止电压对比，当监测得到电压小于等于过放截止电压且达到过放电压的延时时间，通过第1脚关闭Q1。Q1被关闭之后，放电回路被切断，停止放电。控制IC设有过流保护和短路保护两种功能。控制IC时刻监测VSS-VM之间的电压值，当电压值达到过流保护或者短路保护的阈值且满足延时时间，控制IC会将MOS管Q1关闭，切断放电回路。针对地下空间电池高安全要求，本研究在保护板里面增加保险丝设计，在控制IC失效之后，起到二级保护作用，避免更坏的结果。锂离子电池隔膜（separator）在电池中一方面起隔绝作用，阻止正负极直接接触，尤其是防止电池析锂产生的锂晶枝刺穿隔膜造成短路放电，引起火灾或者爆炸；另一方面又要允许电解液中锂离子自由通过，对于锂离子电池使用安全和性能都有重要影响。其必须满足以下条件：（1）不与电解质、电极材料发生反应；（2）制成隔膜后要有较好孔隙率，满足锂自由通过；（3）耐受高温，具有熔断隔离功能；（4）具有较高的拉伸强度，不易刺穿，后两条是为了满足阻燃防爆要求。经过不断发展，锂离子电池隔离膜有多种。目前主流有双层PE/PP复合隔膜或三层PP/PE/PP复合隔膜。新型材料锂离子膈膜：聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚酰亚胺（PI）、间位芳纶（PMIA）、聚对苯撑苯并二噁唑纤维（PBO）。复合膜：将纳米陶瓷材料（Al2O3/SiO2/TiO2和BaTiO3等）涂覆在PE膜上；聚合物涂层：将芳纶纤维（ANF）涂覆在PP膜上；有机/无机杂化涂层膜[7]。在本设计中侧重防爆技术，兼顾导电性能，选择聚对苯撑苯并二噁唑纤维（PBO）制备的纳米多孔膜。聚对苯撑苯并二噁唑纤维（PBO）分子结构较为特殊，其分子链中苯环与苯撑苯并二噁唑环并不共面，分子间存在更高程度的共轭效应，其纤维具有更高的刚性，是一种具有优异力学性能、热稳定性、阻燃性的有机纤维。其基体是一种线性链状结构聚合物，在650 ℃以下不分解，具有超高强度和模量，是理想的耐热和耐冲击纤维材料。用HPI（羟基聚酰亚胺）纳米颗粒通过热重排的方式制备TR-PBO纳米纤维复合隔膜，该隔膜除了具备PBO材料本身的高强度、高耐热性的优点外，孔径分布更集中，孔径更小，其纤维形貌如图5。使用该材料制得的隔膜防刺穿的机械强度可达525 MPa，热稳定性可达600 ℃，其机械强度和热稳定性均非常优异。
图5 纤维形貌
由于锂离子电池中锂材料的物理化学特性以及参与充放电的方式，不能从根本上避免锂离子电池发生起火乃至爆炸的问题，在一些有高安全要求高能量密度的应用场景，需要采用如本研究的冗余防爆安全设计。本研究锂离子电池冗余防爆设计，还可以用在其他高安全要求应用场景，如人口密集区储能电站、数据存储场所、通信基站、海防及国防监测哨所等。
