熱失控防控技術(shù)的案例
鋰電儲能系統(tǒng)熱失控防控技術(shù)研究進展
儲能電站鋰離子電池火災(zāi)事故頻發(fā)引起了人們對鋰離子電池熱失控特性和防控技術(shù)的關(guān)注與重視。本文將儲能電站鋰離子電池在外部濫用條件下的熱失控演化過程劃分為3個階段和6個過程，分別是熱失控早期、熱失控發(fā)生期、火災(zāi)初期3個階段和放熱、產(chǎn)氣、增壓、噴煙、起火燃燒和氣體爆炸6個過程。整個演化過程各階段并不是獨立的，而是化學(xué)反應(yīng)重疊交叉進行的。因儲能電站火災(zāi)與傳統(tǒng)火災(zāi)燃燒特性差異較大，需根據(jù)其熱失控演化過程特點提出針對性的防控措施。本文梳理了近年來鋰離子電池熱失控特性和防控技術(shù)的研究進展，對鋰離子電池熱失控演化過程、監(jiān)測預(yù)警技術(shù)、熱失控抑制和滅火技術(shù)等方面進行了歸納總結(jié)與展望。
儲能風(fēng)冷/液冷系統(tǒng)熱管理設(shè)計策略與仿真-十二大專題電池儲能熱管理設(shè)計仿真入門進階45講
鋰離子電池目前被廣泛應(yīng)用于儲能領(lǐng)域，儲能電站火災(zāi)爆炸事故頻發(fā)引發(fā)了人們對電化學(xué)儲能電站安全性的極大關(guān)注。鋰離子電池是儲能電站電能的能量載體，其電極體系組分具有很高的熱危險性，封裝成電池后其熱危險性加劇。2021年4月，北京豐臺區(qū)儲能電站發(fā)生爆炸事故，造成兩名消防員死亡，使得公眾對儲能電站的應(yīng)用前景擔(dān)憂。近年來發(fā)生的儲能電站火災(zāi)爆炸事故如表1所示。
儲能電站鋰離子電池的火災(zāi)爆炸事故，主要是電池單體發(fā)生內(nèi)短路后使得電池熱失控起火燃燒，進一步熱失控擴展到相鄰電池，從而形成大規(guī)模火災(zāi)，在受限空間中氣體積聚到一定程度時，遇到點火源，又會發(fā)生爆炸。盡管鋰離子電池存在自引發(fā)內(nèi)短路致使熱失控的風(fēng)險，但是概率很低，僅為百萬分之一。一般認(rèn)為，熱失控是在外部誘發(fā)條件如熱濫用、電濫用、機械濫用下造成的。儲能電站鋰離子電池發(fā)生熱失控時，電池間會發(fā)生熱失控蔓延，進一步引發(fā)大規(guī)模的電池燃燒，如圖1所示。
展開 應(yīng)用COMSOL APP分析鋰電池熱失控蔓延防控措施
其中有的是立即發(fā)生熱失控，如鋁和負(fù)極的接觸；而正極和負(fù)極接觸一般不會發(fā)生熱失控；<strong>鋁和銅接觸的危險程度也比較高，但是不一定馬上引發(fā)內(nèi)短路</strong>。</p><p> 對于實際模組管理中，可以<strong>通過應(yīng)用數(shù)值仿真輔助的一致性差異檢測，辨識出來早期的內(nèi)短路個體電池</strong>，對潛在的熱失控做早期的隔離、熔斷和必要溫控措施。當(dāng)然，除了早期防范外，系統(tǒng)設(shè)計也應(yīng)當(dāng)考慮到極端的熱失控燃爆對周圍電芯的影響，極力避免大量電芯被蔓延，引起重大事故。</p><p> 一般情況下，熱蔓延抑制設(shè)計包括隔熱設(shè)計和散熱設(shè)計、噴淋設(shè)計，隔熱設(shè)計是利用不同隔熱材料防止模塊熱蔓延，散熱設(shè)計是不同液冷流量對熱蔓延進行抑制，<strong>噴淋設(shè)計是在自動識別關(guān)鍵溫度和特征后啟動一定量的冷液噴淋，快速降低目標(biāo)自發(fā)熱電芯溫度。</strong></p><p><br></p><p> 此次采用Comsol<strong>設(shè)計了一套關(guān)于少量電芯模組的熱失控仿真模型APP，</strong>采用緩慢內(nèi)短路內(nèi)發(fā)熱逐漸引發(fā)熱失控的方式。其中引入了智能噴淋功能，預(yù)測不同噴淋控制參數(shù)帶來的防控效果。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202112/9508625c54f348a09993aeae38a0e523.png"></p><p><br></p><p>此次設(shè)定在約110~120度時啟動持續(xù)噴淋，可以看到當(dāng)達到閾值的噴淋降溫能力后，熱失控被壓制住。
展開 來源 | Nature Communications
01
背景介紹
隨著全球范圍內(nèi)能源危機的出現(xiàn)，并在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動下，鋰離子電池獲得了蓬勃發(fā)展，然而電池熱失控被喻為威脅電池安全的“癌癥”，是制約電動汽車與新型儲能規(guī)模化發(fā)展的核心瓶頸。因此亟需深入理解鋰離子電池熱失控演變機制，并提出早期預(yù)警策略以防止火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生。導(dǎo)致電池熱失控的根源，是電池內(nèi)部一系列復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián)的“鏈?zhǔn)礁狈磻?yīng)”。最具代表性的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)包括：外部電、熱、機械濫用→內(nèi)部產(chǎn)熱→SEI膜分解→負(fù)極與電解液反應(yīng)、產(chǎn)氣→隔膜熔化→內(nèi)部短路→安全閥開啟→正極與電解液反應(yīng)、產(chǎn)氣→電解液分解、產(chǎn)氣→電解液、氣體燃燒→起火爆炸！從局部短路到大面積短路，電池內(nèi)部溫度快速提升，可高達800℃以上，引發(fā)電池起火爆炸。由此可見，“溯源電池熱失控發(fā)生的內(nèi)在誘因，厘清各分步反應(yīng)之間的耦聯(lián)關(guān)系，揭示熱失控主導(dǎo)機制與動力學(xué)規(guī)律，前移熱失控預(yù)警時間窗口”是從根本上解決儲能安全問題的核心。然而，由于電池的密閉結(jié)構(gòu)和內(nèi)部復(fù)雜的反應(yīng)機制，電池內(nèi)部核心狀態(tài)參量檢測的準(zhǔn)確性和實時性無法保證。最新報道的具有“透視”檢測能力的科學(xué)儀器（如中子衍射、X射線衍射、冷凍電鏡等），由于儀器體積龐大、價格昂貴，無法應(yīng)用于電池使用終端。如何科學(xué)、及時、準(zhǔn)確地預(yù)判電池安全隱患，成為當(dāng)前電池安全領(lǐng)域的國際性科學(xué)難題。
02
成果掠影
近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫金華教授和王青松研究員團隊與暨南大學(xué)郭團教授團隊提出了一種可植入電池內(nèi)部的多模態(tài)集成光纖原位監(jiān)測技術(shù)，在國際上率先實現(xiàn)了對商業(yè)化鋰電池熱失控全過程的精準(zhǔn)分析與提早預(yù)警。
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