中科久安-儲能用鋰離子電池火災孕育機理及關鍵防控技術.pdf

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1、儲儲能能用用鋰鋰離離子子電電池池火火災災孕孕育育機機理理及及關關鍵鍵防防控控技技術術李 煌安徽中科久安新能源有限公司電話：18160882301郵件：安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司22一、電化學儲能電站發展及火災形勢二、鋰離子電池火災孕育機理三、電化學儲能系統火災防控技術四、電化學儲能系統火災抑制技術產品安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安

2、新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司3MW級別交流側儲能使用年限越長，火災事故概率增加 調 峰 調 頻 削 峰 填 谷 電 壓 支 撐 緩解線路阻塞2011-2021年全國電化學儲能電站裝機規模截止21年底累計裝機量5791.2MWMW級別用戶側儲能近年來裝機量實現跨越式上升2011-2021年全球電化學儲能電站安全事件31100001781韓國儲能電站火災澳洲儲能電站火災共發生32起儲能電站火災其中17年后30起2安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有

3、限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司4 近年來，電化學儲能電站火災時有發生 亟需發展鋰離子電池火災防控技術及產品，滿足儲能行業安全需求 重點：火災早期預測預警技術&高效滅火技術 2018年8月江蘇某儲能項目起火 一、2021年4月北京某儲能項目起火 2018年8月 江蘇用戶側儲能電站火災;2021年4月 韓國忠清南道洪城儲能系統發生起火;2021年4月 北京豐臺區直流光儲充一體化電站發生火災；2021年7月 澳大利亞儲能項目火災持續4天；2022年4月 美國某儲能項目火

4、災陰燃5天；2021年7月澳大利亞儲能起火2022年4月美國某儲能項目起火安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司5二、鋰離子電池火災孕育機理安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司6溫度高溫低溫自放熱反應危險氣

5、體正極材料分解放熱SEI 膜分解90-100負極-電解液反應120 隔膜融化120-140265 LiMn2O4210 LiNixCoyMnzO2160LiNi0.8Co0.15Al0.05O2150 LiCoO2310 LiFePO4電解液分解200 電池內部的熱失控孕育過程1 L.Lu et al./Journal of Power Sources,2013.2 X.Feng et al./Journal of Power Sources,2014.產熱曲線與散熱曲線H2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、HF等安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源

6、有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司77過 充過 熱產氣爆炸燃燒方形圓柱形熱失控反應產熱儲能磷酸鐵鋰熱失控觸發方式與行為磷酸鐵鋰熱失控內部化學反應流程1.SEI 膜分解2222324221(CH OCO Li)Li CO+C H+CO+O22.負極與電解液反應34323242LiC H O(EC)Li COC H46323362LiC H O(PC)Li COC H3.正負極短接產生大量焦耳熱4.粘結劑分解反應與析出鋰金屬反應222CHCFLiLiFCHCF0.5H5

7、.磷酸鐵鋰正極分解反應0422722Li FePOFe P O+0.5O 高溫磷酸鐵鋰熱失控內部具體化學反應Energy Storage Materials,Volume 31,2020,Pages 195-220,安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司8單體被觸發熱失控(機 械、熱、電)釋 放 大量 熱 并劇 烈 加熱 毗 鄰電池毗 鄰 電 池被 觸 發 熱失 控，熱失 控 在 電池間擴散整個電池系

8、統發生火災、爆炸事故熱擴散、火蔓延強 熱火 焰可燃&毒性氣體大規?；馂氖鹿拾不罩锌凭冒残履茉从邢薰景不罩锌凭冒残履茉从邢薰景不罩锌凭冒残履茉从邢薰景不罩锌凭冒残履茉从邢薰景不罩锌凭冒残履茉从邢薰景不罩锌凭冒残履茉从邢薰景不罩锌凭冒残履茉从邢薰景不罩锌凭冒残履茉从邢薰景不罩锌凭冒残履茉从邢薰?三、電化學儲能系統火災防控技術安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司101難題1：內部化學反應

9、機制不明，監測預警困難難題2：火災行為特殊，抑制難度大難題3：產生大量有毒、可燃氣體，爆炸風險大難題4：缺乏科學的評價體系和規范機械濫用熱濫用電濫用熱失控火災爆炸安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司1111安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新

10、能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司1212 電化學儲能系統火災防控技術難燃電解液熱穩定性難燃電解液循環性能q 安全型鋰離子電池電解液通過添加TPP、CDP、IPPP等阻燃添加劑，研發出難燃型安全電解液針刺不起火不爆炸高電化學性能高安全性安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司1313q 熱失控擴散阻隔設計通過在電池間添加氣凝膠、隔熱棉等隔熱材料阻斷相鄰電池間的熱擴散構建熱失控阻隔模型 電池SOC 電

11、池間距 隔熱材料導熱系數 隔熱層厚度13安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司14q 熱擴散阻隔設計14q 模型與實驗結果對比鋰離子電池組溫度分布電池序號ti#/s（實驗結果）ti#/s（模擬結果）1#1092#8133#12124#10105#914實驗：ti#=9.8 s；模型：ti#=11 s；14安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有

12、限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司1515q 影響因素分析SOC（Hec）環環境境溫溫度度（T）電電池池間間距距（s）相鄰電池間熱失控傳播時間 平均熱失控傳播時間隨Hec、T、s變化15安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司1616安全等級顏色劃分判定標準是否發生傳播受熱電池卷芯溫度是否存在內短路危險

13、ti(i+1)是否少于5 minI：安全 否否否II：較安全 否是否III：較危險 是是否IV：危險 是是是q熱失控傳播阻隔材料選擇q=0.5mm,導熱系數k降低至0.01Wm-1K-1，相鄰電池內卷芯溫度依然接近隔膜融化溫度(130oC)；q=1.0mm，采用k0.02 的隔熱材料可以有效控制電池的熱失控傳播（氣凝膠）；q=1.5、2.0mm，相應的導熱系數可以分別增加至0.03和0.05Wm-1K-1。（玻璃纖維和巖棉板）16安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久

14、安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司17四、電化學儲能系統火災抑制技術產品安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司18熱-電耦合的熱失控模型實現熱失控階段發展態勢預測熱失控過程不同階段氣體、溫度、端電壓等特征參數提取系列實驗測試（加熱、過充等）二級預警三級報警一級預警多信息融合鋰離子電池火災精準預測預警技術：基于電池熱失控模型、系列實驗測試，研發出多參數耦合電池火災預警技

15、術及裝備產品，實現對鋰離子電池系統火災的早期感知、智能判斷和三級預警功能“四四合合一一”監監測測模模塊塊(VOC、CO、溫溫度度、煙煙霧霧)安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司1919水系統滅火 噴淋、細水霧等成熟的滅火技術，在建筑等行業廣泛應用。對單體電芯而言，其滅火性能以及冷卻效果均較好，對電池模組，會造成系統短路誘發二次火災，電池整體報廢南京電動大巴電池包進水火災事故q 目前儲能電站采用的滅火

16、技術主要有：水系滅火系統、七氟丙烷滅火系統、氣溶膠滅火系統、全氟己酮滅火系統等安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司2020七氟丙烷滅火技術 雖然滅火效果好，但對電池降溫效果差，電池溫度會再次升高從而發生二次復燃 滅火藥劑的釋放技術也需依據電池火災特性進一步優化。模擬儲能方艙滅火實驗系統滅火后二次復燃q 針對鋰離子電池系統火災，傳統的火災抑制技術存在明顯的局限性安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新

17、能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司21鋰離子電池火災高效滅火及抗復燃技術：通過理論分析和大量實驗研究遴選出清潔高效滅火劑，突破傳統設計，創新滅火方法（首次快速釋放、而后多次緩釋），實現快速滅火，有效解決降溫和復燃問題三元電池（111體系）的滅火實驗大型磷酸鐵鋰滅火技術效果驗證精精準準高高效效持持續續友友好好安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安

18、徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司22u功能描述 火災抑制功能 支持編程式點動噴射 一鍵啟動與緊急停止 兼容二次水霧系統 主備用電源切換 自檢功能u功能描述 防護面積大 防護效果好 環境友好 可靠性高q 儲能系統火災抑制裝置安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司23n 火災預警與告警系統 紅外可見光火災探測器 監測模塊 遠程視頻監控

19、煙感探測器n FK5112降溫、滅火系統 頂部噴淋管道 多路單電池簇噴霧管道n 二次細水霧接口 通過噴淋管道長期浸沒噴淋PACK級安防設計電池簇防護設計電池艙安防設計安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司24u功能描述：監測預警+高效滅火u特 點：獨立監測、精確定位故障位置、體積小安裝方便外置式電池箱滅火裝置（示例）型號滅火劑產品圖片功能特點EEP07A全氟己酮非儲壓式、降溫型，通過CCCF/XFJJ

20、-01技術鑒定EEP10七氟丙烷儲壓式、降溫型、通過CCCF/XFJJ-01技術鑒定系列產品：鋰離子電池箱火災監測及抑制一體化裝置安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司251、PACK防護：通過監測預警與消防主機聯動，將火災抑制劑迅速輸送至PACK內部，可在5 s內有效撲滅電池明火，30 min內不復燃；2、電池簇防護：采用分塊布局+集中控制方式，以電池簇為單位進行局部淹沒式滅火，實現對電池簇柜體內部

21、的安全防護；3、電池艙防護：布局相對簡單，滅火劑通過頂部噴頭迅速霧化，對整個電池室內部進行全淹沒式滅火；采用程控式噴射的方式，在最大程度上控制電池的復燃現象。電池簇防護設計電池艙安防設計PACK級安防設計安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司261APPLICATION應用案例 應用場景 應用案例：公司已與國家電網、南方電網、三峽集團、平高集團、陽光電源、東方電氣、遠景能源、采日能源等行業龍頭企業簽訂

22、合作協議，業務覆蓋全國30多個省、市及地區。安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司THANKS衷心感謝各位專家！聯聯系系我我們們:李 煌 安徽中科久安新能源有限公司；中科大火災科學國家重點實驗室 聯系電話：18160882301 電子郵件：新能源安全專家安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司安徽中科久安新能源有限公司