2019年梯次利用電池安全性研究及對策.pdf

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1、梯次利用電池安全性研究及對策中國電力科學研究院有限公司2019-5-2011研究背景1 安全是儲能系統的第一要素；目前大量應用的鋰離子電池采用有機溶劑體系，會發生熱失控，引起連鎖反應；近幾年國內外發生了多起儲能電站安全事故。韓國已累計發生21次安全事故。4月19日亞利桑那儲能電池火災國外儲能系統事故12018年8月國內某用戶側儲能電站火災，磷酸鐵鋰電池，燒毀一個集裝箱。2017年12月山西某電廠儲能系統發生火災。國內儲能系統事故1 我國電動汽車進入快速發展期，2018年銷售125.6萬輛；未來動力電池退役量快速增加，預計2020年動力電池退役量將達20GWh。1.767.4833.1150.7

2、77.7125.60204060801001201402013201420152016201720182026314363930102030405060708090100202020212022202320242025動力電池退役量（動力電池退役量（GWh）電動汽車銷量（萬輛）電動汽車銷量（萬輛）電動汽車電動汽車動力動力電池生命歷程電池生命歷程（價值鏈）（價值鏈）梯次利用梯次利用資源回收資源回收動力動力電池電池1 梯次利用可提升動力電池全壽命價值，降低儲能系統成本而受到廣泛關注；國內外建設了多個梯次利用電池儲能系統的示范工程。寶馬汽車日本4R能源上海煦達中國電科院與新電池相比，梯次利用電池的安

3、全性怎么樣 是否更易發生熱失控？發生熱失控后的反應劇烈程度如何？12梯次利用電池安全性研究1 1 安全性能測試該退役電池可通過電動汽車標準中各項安全試驗。過充前過充前過充后過充后1.過充實驗過充實驗（1C 5V/90min）2.過充實驗過充實驗(1/3C,0V)過放前過放前過放后過放后加熱前加熱前加熱后加熱后短路前短路前短路后短路后3.加熱實驗加熱實驗（110，30min）4.短路實驗短路實驗（R5m 10min）實驗項目實驗項目實驗現象實驗現象判定標準判定標準判定結果判定結果過放電過放電電池無爆炸、無起火、無漏液不爆炸、不起火、不漏液合格過充電過充電電池無明顯溫升，電池無爆炸、無起火、無漏液

4、不爆炸、不起火合格短路短路實驗最高溫度70，電池無爆炸、無起火不爆炸、不起火合格跌落跌落電池無爆炸、無起火、無漏液不爆炸、不起火、不漏液合格加熱加熱電池無爆炸、無起火、無漏液不爆炸、不起火合格擠壓擠壓電池無爆炸、無起火不爆炸、不起火合格針刺針刺電池無爆炸、無起火不爆炸、不起火合格參照參照QC/T 743-2006標準標準（1）退役錳酸鋰電池安全性研究（90Ah）1（2）退役磷酸鐵鋰電池安全性研究（22Ah）濫用實驗過充過放短路跌落加熱擠壓針刺該型號電池可通過動力電池各項安全試驗。參照參照GB/T 31485-2015標準標準1（3）退役磷酸鐵鋰電池安全性研究（200Ah）濫用實驗-過放電電池類

5、型電池類型電池電池容量容量/Ah測試前電壓測試前電壓/V重量重量/kg電池表面最高溫度電池表面最高溫度/現象現象測試前測試后正極負極表面新電池199.763.380 6.023 6.025 51.8 56.6 56.1 電池發鼓梯次電池167.533.3496.0056.00534.537.234.0新電池梯次電池新電池梯次電池過放后照片1（3）退役磷酸鐵鋰電池安全性研究（200Ah）濫用實驗-短路電池類型電池類型電池電池容量容量/Ah測試前電壓測試前電壓/V重量重量/kg電池表面最高溫度電池表面最高溫度/現象現象測試前測試后正極負極表面新電池201.213.3345.964 5.964 46

6、.850.531.1極耳連接片熔斷梯次電池164.773.3486.054 6.053 52.6 54.7 40.6 新電池梯次電池新電池梯次電池短路后照片1（3）退役磷酸鐵鋰電池安全性研究（200Ah）濫用實驗-擠壓電池類型電池類型電池電池容量容量/Ah電壓電壓/V重量重量/kg電池表面最高溫度電池表面最高溫度/現象現象測試前測試后測試前測試后正極負極表面新電池200.673.3723.3705.963 5.963 28.2 28.4 28.2 擠壓處輕微凹陷梯次電池167.253.3673.3545.9805.97026.0 25.6 25.2 新電池梯次電池新電池擠壓后照片梯次電池1（3

7、）退役磷酸鐵鋰電池安全性研究（200Ah）濫用實驗-針刺電池類型電池類型電池電池容量容量/Ah測試前電壓測試前電壓/V重量重量/kg電池表面最高溫度電池表面最高溫度/現象現象測試前測試后正極負極表面新電池197.783.368 5.9524.648192.2 226.0 231.7 電池冒煙梯次電池167.167 3.3445.9024.680166.3 150.1 157.9 新電池梯次電池新電池針刺后照片梯次電池13安全風險對策1場站設計消防供電排煙逃生通風空調檢測預警技術防護技術消防技術消防技術施工安裝電池材料和生電池材料和生產工藝產工藝儲能本體應用儲能本體應用配套設施配套設施儲能系統的

8、整體安全儲能系統的整體安全現有電池體系（磷酸鐵鋰、三元）本征安全體系（全固態電池）電池成組技術；防爆隔離技術；阻燃隔熱技術.水、細水霧法；七氟丙烷法；氣溶膠法 Novec 1230；降溫抑制復燃技術；.阻燃電解液及添加劑；改性陶瓷隔膜；正溫度系數元件；電芯及殼體設計 火感、溫感、煙感；熱失控預警技術；溫感光纖等傳感技術；電解液泄露檢測技術；狀態預警技術.防雷接地給水排水1電池安全預警技術01234567892.702.752.802.852.902.953.003.05 梯次電池 新電池Voltage/VBattery code010000200003000040000500002324252

9、62728Temperature/Time/s 1#-cathode TAB 4#-anode TAB 1#-right 1#-side 4#-side RT建立電熱耦合模型分析電池內部溫度預警指標運行狀態管理控制指標閾值模組內單體電壓極差（mV）最低電壓大于3V時120120-200200正常運行系統預警，但可繼續運行系統立即停機最低電壓在2.8-3V之間時200200-300300正常運行系統預警，但可繼續運行系統立即停機最高溫度（oC）4040-4545正常運行系統預警，但可繼續運行停機檢查電池溫升（oC）55-88正常運行系統預警，但可繼續運行系統立即停機電池溫度極差（oC）55-88

10、正常運行系統預警，但可繼續運行系統立即停機1電池安全防護技術在電池之間加入高性能阻燃隔熱材料過充模塊1.1C過充其中一個5P電池組；2.2.至少其中3塊電池起火后，啟動滅火；3.30min后開箱檢查試驗結果。1電池安全防護技術20003000400050006000700080000100200300400500600Temperature/Time/s CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6未引發熱失控蔓延熱量被有效隔離1電池滅火技術針對電池火災的常規滅火技術（滅火介質）七氟丙烷（CF3CHFCF3），是一種以化學滅火為主兼有物理滅火作用的氣體化學滅火劑，其無色、無味、低毒、不導電、

11、不污染被保護對象，能以較低的滅火濃度（10%），撲滅B、C類火災及電氣火災。滅火效果有限；不能抑制復燃。Novec1230屬于氟化酮類物質，美國3M公司研制開發，在常溫下是一種無色、微味、容易氣化的液體滅火劑，釋放后不留殘余物，無腐蝕性。無法持續降溫；抑制復燃效果有限。熱氣溶膠滅火劑是通過固體氧化劑與還原劑發生化學反應（燃燒）而產生的固體與氣體混合物。其中固體顆粒主要是金屬氧化物、碳酸鹽或碳酸氫鹽、碳粒和少量金屬碳化物（主要是鉀和鉀鹽），氣體產物是N2、CO2和少量CO。不具備降溫功能；抑制復燃效果有限。1電池滅火技術技術優勢1.采用自主研制的鋰離子電池專用氣液復合滅火劑；2.根據不同類型電池

12、采取不同的滅火策略；3.具有自動判定、自動啟動滅火功能；4.能夠在5s內快速撲滅明火，且24小時無復燃；5.成本低，對其它未著火電池和環境危害小。中國電科院在多年電池安全性研究基礎上，開發了電池自動滅火裝置。1電池滅火技術基本參數氣液復合滅火劑容量20L工作電壓DC9-36V工作電流25mA工作溫度-4085工作濕度95%報警方式智能儀表、獨立顯示終端控制滅火器方式自動、手動1電池滅火技術 滅火裝置自動響應時間為0.5s；滅火裝置從接收釋放信號到明火撲滅為3.5s；復燃抑制劑噴射結束后24h內未出現復燃現象。電池自動滅火裝置已通過國家消防裝備質量監督檢驗中心的檢測。1電池滅火技術序號類型產品型

13、號功能描述目標應用1大型QMQ2.5/70N氣液復合滅火劑容量：80150L儲能電池系統(2MWh)2中型QMQ2.5/40N氣液復合滅火劑容量：4080L儲能電池系統(500kWh2MWh)3小型QMQ2.5/10N氣液復合滅火劑容量：1040L分布式儲能裝置、純電動大巴車、特種車、乘用車。14小 結1 與新電池相比，梯次利用電池熱失控后的劇烈程度有所降低，這可能由于梯次利用電池能量較小的緣故；隨著電池容量保持率的降低，梯次利用電池自反應產熱溫度、熱失控起始溫度也越來越低；針對不同狀態的梯次利用電池，應明確其在不同儲能工況下的安全運行邊界條件，并據此制訂運行過程中的安全預警策略，同時結合在不同工況下的衰退特性，在確保安全使用的前提下，最大化梯次利用電池的剩余價值；對于熱失控后的電池，需根據其起火燃燒特性選擇合適的滅火劑，再結合電池成組方式，制定有效的滅火策略。謝 謝Thanks for Your Time