電池發(fā)生燃燒爆炸的原因 儲能電池三要素介紹

近日，中科院院士歐陽明高公開表示：“一般認(rèn)為磷酸鐵鋰電池是比較安全的。本質(zhì)上對于小的磷酸磷酸鐵鋰電池的確如此，但大容量電池，像320Ah的電池，其內(nèi)部溫度可以超過800度，這超過了磷酸鐵鋰正極分解的溫度?！?/p>

容量越大，熱失控風(fēng)險越高

磷酸鐵鋰小容量電池和大容量電池安全性的區(qū)別主要在于：電池內(nèi)部溫度是否超過正極材料分解溫度。磷酸鐵鋰電池正極材料一般500℃才可能出現(xiàn)分解現(xiàn)象，磷酸鐵鋰正極材料小容量磷酸鐵鋰電池內(nèi)部溫度一般是300-400℃，大容量磷酸鐵鋰電池內(nèi)部溫度可超過800℃。

這也是為什么大容量磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э仫L(fēng)險更高的原因。

爆燃指數(shù)是三元電池的兩倍

對比磷酸鐵鋰電池和三元電池，磷酸鐵鋰電池的燃爆指數(shù)是三元電池的兩倍。三元電池是自己容易熱失控，自己把自己點(diǎn)著，磷酸鐵鋰電池則不然，自己點(diǎn)不著，可氣體爆炸風(fēng)險更高，遇到明火更危險。三元電池，內(nèi)部溫度約200℃時，正極材料會分解并釋放氧氣，在高溫下電解液迅速燃燒，燃燒更劇烈。大容量磷酸鐵鋰電池，內(nèi)部溫度超過500℃后，正極材料開始分解，電池發(fā)生熱失控，產(chǎn)生大量可燃電解液蒸汽（含氫氣等，不含氧氣），隨著SOC增加，氫氣濃度增加，可達(dá)50%以上（氫氣的爆炸極限是4.0％～75.6％），爆炸風(fēng)險更高，但燃燒劇烈程度較三元電池更低。

大容量趨勢，安全難保障

近日，在CIBF深圳國際電池技術(shù)展會中，多家儲能電池頭部企業(yè)展示了300Ah及以上容量的儲能型磷酸鐵鋰電芯產(chǎn)品，電芯容量提升已成為行業(yè)發(fā)展趨勢。媒體統(tǒng)計了其中16家企業(yè)的大容量儲能型磷酸鐵鋰電芯產(chǎn)品，并進(jìn)行了容量排名。雄韜股份的儲能電芯產(chǎn)品以580Ah的容量排名，緊跟其后的是億緯鋰能的560Ah儲能電芯產(chǎn)品，第三則是海基新能源的375Ah電芯產(chǎn)品。

開發(fā)出300Ah及以上容量的儲能電芯產(chǎn)品的企業(yè)還有：蜂巢能源（325Ah）、瑞浦蘭鈞（320Ah）、楚能新能源（306Ah/315Ah）、雙登集團(tuán)（315Ah）、遠(yuǎn)景動力（305Ah/315Ah）、贛鋒鋰電（314Ah）、蘭鈞新能源（314Ah）、欣旺達(dá)（314Ah）、海辰儲能（300Ah/320Ah）、遠(yuǎn)東電池（305Ah）、昆宇電源（305Ah）、南都電源（305Ah）和國軒高科（300Ah）等。儲能型大容量電芯成發(fā)展趨勢，如何保障電池安全是所有儲能電池企業(yè)必須面對的難題。

全固態(tài)電池是未來

儲能關(guān)注三個要素：長壽命、低成本、高安全。對于以磷酸鐵鋰為代表的電化學(xué)儲能來說，長壽命相對容易實(shí)現(xiàn)，低成本隨著行業(yè)規(guī)模提升終將得到解決，貫穿始終的將是安全性問題。為了提升儲能安全，市場給出的解決方案之一是開發(fā)不同的儲能技術(shù)。例如，從本征角度出發(fā)，研發(fā)固態(tài)電池或者水系電池，實(shí)現(xiàn)電池安全到安全電池的發(fā)展。歐陽明高院士表示，他們認(rèn)為本征安全的最終目標(biāo)是全固態(tài)電池。全固態(tài)電池的優(yōu)點(diǎn)主要有兩個：其一，固態(tài)電解質(zhì)替代液體電解質(zhì)和隔膜，固態(tài)電解質(zhì)燃點(diǎn)非常高，不存在漏液現(xiàn)象，可顯著提升電池安全性；其二，全固態(tài)電池能量密度更高，可達(dá)400Wh/kg，鋰硫/鋰空電池有望實(shí)現(xiàn)500Wh/Kg。但是，現(xiàn)階段全固態(tài)電池工藝并不成熟，仍處于研發(fā)階段，存在離子電導(dǎo)率低、循環(huán)壽命差、倍率性能差、成本高昂等問題，制約了商業(yè)化進(jìn)程。根據(jù)EVTank的預(yù)測，至2030年全球固態(tài)電池滲透率為10%，需求達(dá)到276.8GWh。2023-2030年，全球固態(tài)電池需求增長的CAGR為63.7%。 ?

北京市應(yīng)急管理局近日正式公布“4.16集美儲能電站火災(zāi)事故”的調(diào)查報告。調(diào)查報告顯示，起火直接原因系電池間內(nèi)的磷酸鐵鋰電池發(fā)生內(nèi)短路故障，引發(fā)電池?zé)崾Э仄鸹穑鹿十a(chǎn)生的易燃易爆組分通過電纜溝擴(kuò)散，與空氣混合形成爆炸性氣體，遇電氣火花發(fā)生爆炸。調(diào)查歷時半年之久，對事故的來龍去脈進(jìn)行了科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治霾⒌贸鼋Y(jié)論，對行業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展具有深刻的借鑒和指導(dǎo)意義。事故發(fā)生后，多個執(zhí)行中的項目也因此放緩腳步，已投運(yùn)的多個項目也暫時被停運(yùn)，消防安全成為行業(yè)刻不容緩、不容回避的問題。 ? ? ? 隨著雙碳目標(biāo)的推進(jìn)，磷酸鐵鋰電池為主的電化學(xué)儲能電站裝機(jī)容量呈現(xiàn)“倍增式”增長態(tài)勢，但由于磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э刂鸷箅y以抑制其復(fù)燃的特點(diǎn)，消防安全成為行業(yè)內(nèi)的最大難點(diǎn)之一，同時相關(guān)的規(guī)程規(guī)范也較為缺失，儲能電站的安全運(yùn)行壓力和安全隱患明顯增加，安全問題始終是懸在行業(yè)頭頂?shù)摹斑_(dá)摩克利斯之劍”。安全問題引發(fā)行業(yè)包括國家層面的廣泛關(guān)注，為此，國家發(fā)展改革委、國家能源局起草了《電化學(xué)儲能電站安全管理暫行辦法》，從項目準(zhǔn)入、質(zhì)量管控、施工驗(yàn)收、應(yīng)急處置等方面規(guī)范儲能電站的安全管理工作，提出了包括建立健全儲能電站備案制度、委托具有專業(yè)儲能檢測資質(zhì)的機(jī)構(gòu)對安全相關(guān)的核心部件或單元開展到貨抽檢、投運(yùn)前應(yīng)通過消防驗(yàn)收等要求。

電池發(fā)生燃燒爆炸的根源在于電池?zé)崾Э?，誘發(fā)電池?zé)崾Э氐脑蛑饕袃深悾阂活愂请姵貎?nèi)部原因，比如電池制造過程中引入的電芯內(nèi)缺陷，或者電池在長期使用過程中由于充放電制度和環(huán)境因素使電池老化，電芯內(nèi)部產(chǎn)生了枝晶鋰，或者是電池管理系統(tǒng)策略不當(dāng)，觸發(fā)了電池內(nèi)短路。另一類是電池外部原因，電池外部的電、熱沖擊，作用到電池本體上都會使電池內(nèi)部出現(xiàn)不可逆的放熱反應(yīng)。如果在電池儲能系統(tǒng)集成過程中，沒有嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對儲能電池提出門檻性的安全性能要求，出現(xiàn)電池選型不當(dāng)，電池的基本安全質(zhì)量都無法確認(rèn)和保障。 磷酸鐵鋰電池發(fā)生熱失控后，會產(chǎn)生氫氣、一氧化碳、甲烷等可燃?xì)怏w，當(dāng)達(dá)到一定濃度后，與空氣中的氧氣結(jié)合，在達(dá)到一定的溫度時就會觸發(fā)火災(zāi)甚至爆炸。為此，儲能電站需制定嚴(yán)格的消防措施，例如配置可燃?xì)怏w探測器、采用更有效的消防介質(zhì)，制定更完善的消防聯(lián)動措施。 出于消防安全考慮，儲能設(shè)備以戶外預(yù)制艙布置為主，“預(yù)防為主，防消結(jié)合”是儲能電站的核心安全理念。

編輯：黃飛