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作者：彭鵬 1 王成東 2陳滿 1王青松 2雷旗開 1金凱強 2
單位：1. 南邊電網調峰調頻發電無限公司儲能科研院 2. 中國科學技術年夜學火災 科學國家重點實驗室
援用本文：彭鵬, 王成東, 陳滿, 等. 某鈦酸鋰電池儲能電包養條件站熱掉控致災迫害評價[J]. 儲能科學與技術, 2025, 14(4): 1617-1630.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.100包養6
本文亮點：（1）劃分了鈦酸鋰電池熱掉控過程，厘清了分歧SOC、分歧傳熱方法下電池熱誘導掉控的規律，提醒了滿電荷電狀態電池分歧受熱地位惹起的電池熱掉控的差異性。 （2）創新性地提出了“火”、“毒”、“爆”三維度評價法，并從這三個維度對晦氣情況下的致災迫害進行評估，最終獲得了建議的平安區域距離值。
摘 要 針對鋰離子電池熱掉控引發的電化學儲能電站火災特徵不清、致災迫害評價方式缺掉等問題，本任務以某鈦酸鋰電池儲能電站的電池為研討對象，采用實驗研討和理論剖析相結合的方式，起首系統探討了分歧濫用工況下鈦酸鋰電池的熱掉控及火災危險性，提醒了鈦酸鋰電池熱掉控特征參數變化規律。實驗結果表白，電池荷電狀態及加熱地位都會對電池熱掉控特徵產生明顯影響。隨后，基于單體電池熱掉控迫害數據結果作出兩種最晦氣情況假設，在此假設基礎上，提出了“火”(熱迫害)、“毒”(氣體毒性迫害)、“爆”(爆炸迫害包養)三維度評價法，并以三維度評價法對兩種最晦氣情況下的熱掉控致災迫害進行評估，最終得出該鈦酸鋰電池儲能電站電池熱掉控時最晦氣情況下的平安區距離值為96 m。
關鍵詞 鈦酸鋰電池；儲能電站；熱掉控；火災；致災迫害評價
隨著“雙碳”目標的實施，新動力行業得以敏捷發展。在眾多新動力中，鋰離子電池憑借其本身能量密度高、循環壽命長等優良機能脫穎而出，在航空航天、路況運輸、消費電子產品、儲能電站等領域飛速發展。此外，由于風能發電、太陽能發電等新動力應用方法受季節或許氣候影響較年夜，其具有必定的間歇性，急需一種可以起到削峰填谷的中間轉換平臺，儲能電站應運而生。今朝，市場上重要儲能技術分為三年夜類，分別是抽水蓄能包養、熔融鹽儲熱以及新型儲能。據中關村儲能產業技術聯盟不完整統計，截至2023年末，中國新型儲能累計裝機規模初次衝破30 GW，達到34.5 GW/74.5 GWh。從新型儲能占比來看，鋰離子電池儲能項目占比高達97.3%，在新型包養甜心網儲能領域中處于絕對主導位置。此中，鋰離子電池中的鈦酸鋰電池因其本身獨特的長循環壽命(循環壽命超過20000次)、寬任務溫度范圍(-50 ℃仍可正常充放電)而遭到部門領域任務者的青睞。雖然鋰離子電池有著迅猛發展的形勢，但由于其本身資料組成和結構特徵，內部各部門資料在必定環境下不難發生反應，輕則漏液、容量衰減、電池掉效，重則發生不成逆的熱掉控過程，伴隨冒煙、著火甚包養網dcard至爆炸。一旦發生了鋰離子電池熱掉控變亂，凡是都會形成較年夜的經濟損掉甚至是人員傷亡，所以鋰離子電池的平安問題仍舊不成忽視。
針對鋰離子電池平安問題，相關學者進行了大批的研討。Zhang等研討了分歧過充水平下的鋰離子電池熱掉控行為，發現過充電池的熱穩定性嚴重降落。Xie等研討了過充循環次數對熱濫用條件下電池熱掉控的影響，發現隨著過充循環次數的增添，熱掉控燃燒水平加倍劇烈，存在更年夜的危險性。Hu等探討了電濫用和熱濫用耦合對鋰離子電池熱掉控的影響。隨著充電倍率的增添，電池產氣、熱掉控開始溫度都有所降落，可是熱掉控最高溫度會增高。Wang等對分歧安康狀態(SOH)的磷酸鐵鋰電池在過充工況下的熱掉控演變過程進行了探討。
Li等發現熱濫用工況下鋰離子電池熱掉控和內燃機燃燒具有很高的類似性，熱掉控過程不受把持的重要緣由是電池內部沒有獲得有用把持。Wang等探討了分歧鉅細加熱器對年夜型鋰離子電池熱掉控規律和火焰特征的影響。Huang等探討了分歧加熱板、分歧SOC對鋰離子電池熱掉控的影響。加熱功率對熱掉控的影響比SOC更明顯，加熱功率增年夜，熱掉控迫害水平加快增年夜。Liu等研討了分歧SOC下鋰離子電池的熱掉控特征與火焰行為以及開放和密閉空間里鋰離子電池的熱掉控行為。研討發現，0% SOC下鋰離子電池不會產生射流火行為，可是會產生更多的氣體，增添了其燃爆風險和氣體梗塞風險。密閉環境下，電池熱掉控只會發生很短暫的燃燒過程，不會構成射流火，整個密閉箱內充滿大批有毒無害可燃氣體。在實際應用中，能夠會因為電器結構產生的電火花而發生氣體燃爆現象。
對于電池熱掉控過程中產生的有毒無害氣體，後人進行了大批的研討剖析，有的學者定量剖析了氣體的迫害，有的學者則采用實驗模擬相結合的方法往評價能夠存在的迫害。研討結果表白，今朝市道上商用的鋰離子電池熱掉控所產生的重要氣體為：二氧化碳、一氧化碳、氫氣、甲烷、乙烷、氟化氫等。
但是卻鮮有對鋰離子電池熱掉控引發的電化學儲能電站火災致災迫害評價方式的相關研討。是以，針對此現狀，本任務通過對單體電池熱掉控特徵研討，進而結合“火”“毒”“爆”三維度評價方式進行了相關評價研討，為鋰離子電池熱掉控引發的電化學儲能電站火災致災迫害評價供給了參考。
1 實驗設計
包養本任務所用實驗平臺表示圖，如圖1所示。采用了熱輻射(非火焰加熱形式)和熱傳導以及過充3種方法探討鈦酸鋰電池熱掉控火災危險性，參考該鈦酸鋰電池(相關參數見表1)儲能電站中電池的實際放置方法，本任務中3種方法下的溫度測點布置，如圖2所示。在輻射加熱工況下，接近加熱爐面電池中間地位、遠離加熱爐面電池中間地位、正極極耳四周、負極極耳四周分別布置測溫點1、2、3、4，此中1的地位距離加熱爐上概況80 mm。加熱圈加熱工況下，溫度測點1~3的地位均布置在電池曲面統一程度線上。由于平安包養網閥打開后，不論是氣體還是火焰都會在內壓和浮力配合感化下，呈現傾斜向上的趨勢，是以兩種熱濫用工況下氣體和火焰溫度測點5、6、7的地位布置如下：在平安閥統一程度且距離70 mm的地位布置測溫點5，測溫點5上方間隔100 mm布置測溫點6，測溫點6上方100 mm處布置測溫點7，此中過充實驗溫度測點布置和加熱圈加熱實驗雷包養同。
圖1 鋰電池熱掉控火災危險性測試平臺
表1 鈦酸鋰電池參數
圖2 溫度測點分布圖 (a) 輻射加熱；(b) 傳導加熱
2 分歧濫用方法下鈦酸鋰電池熱掉控的火災危險性研討
2.1熱輻射加熱工況下鈦酸鋰電池熱掉控的火災危險性研討
2.1.1 實驗現象剖析
實驗中采用高清攝像機透過觀察窗記錄了電池熱掉控的完全過程，通過視頻記錄，可以看到分歧SOC的鈦酸鋰電池火焰隨時間的變化。圖3展現了50% SOC鈦酸鋰電池輻射加熱工況下熱掉控的主要時間節點照片，重要燃燒過程年夜致可分為3個階段，分別是穩定燃燒階段、射流火階段、熱掉控階段。
圖3 輻射加熱工況下50% SOC電池熱掉控的主要時間節點圖
2.1.2 實驗結果剖析
如圖4所示，展現了分歧SOC鈦酸鋰電池在輻射加熱工包養app況下的電池概況溫度以及火焰溫度。根據溫度數據可以看出，在加熱初始階段，鈦酸鋰電池下概況的測溫點1距離加熱爐比來，持續遭到輻射在夢中，葉被迫親眼目睹了整本書，內容主要是女主角熱的感化，溫度持續上升，并會在必定的溫度區間內堅持一個較穩定的狀態，直至電池發生熱掉控溫度才會敏捷上升。
圖4 分歧SOC鈦酸鋰電池輻射加熱工況下的電池概況及火焰溫度包養網變化圖 (a) 100%SOC；(b) 50%SOC；(c) 0 SOC
從圖4和圖5可知，熱掉控時電池概況的最高溫度差別比較明顯，電池SOC越高，電池熱掉控時最高溫度就越高。0 SOC電池平安閥開啟時噴出的更像是懸浮的液滴，50% SOC電池則是噴出高溫氣體，而對包養于100% SOC的電池，平安閥打開瞬間噴出的高溫氣體直接變成火焰，燃燒快結束的時候會有一段時間的射流火，其射流火階段的持續時間以及火焰鉅細均高于50% SOC的電池，0 SOC的電池則未發生熱掉控現象。
圖5 分歧SOC鈦酸鋰電池輻射加熱工況下的平安閥開啟瞬間圖 (a) 0 SOC；(b) 50% SOC；(c) 100% SOC
對于100% SOC電池，電池平安閥打開瞬間由于劇烈產氣而著火，使得3號測溫點概況高溫膠脫落，所測的溫度變成了火焰的溫度。由于電池燃燒時電池內部壓力很小，火焰的主導力變成了浮力，是以火焰呈現出接近豎直向上的狀態，同時火焰的寬幅也比較小，所布置的5、6、7測溫點所測溫度幾乎都是在火焰影響下的環境溫度，火焰形態一向在變化，所以5、6、7測溫點所測溫度處于波動狀態。當發生熱掉控時，SOC越高的電池內部能量越多，熱掉控時間越短，溫升越年夜。通過觀察100% SOC和50% SOC電池的火焰溫度可以發現電池熱掉控時噴出的大批高溫氣體的溫度在180 ℃擺佈，這些氣體和平安閥打開時的氣體顏色和狀態有著明顯差別，平安閥打開時的氣體多為白色或灰色霧狀，而熱掉控時產生的高溫氣體多為深灰色和玄色顆粒狀。
圖6展現了鈦酸鋰電池分歧SOC包養網心得工況下的實時質量損掉及電壓變化情況。因為電池概況粘貼了熱電偶，電池正負極極耳連接有電壓線，所以質量的實時測量過程能夠會因為電包養池產氣或火焰沖擊等情況有必定的影響，可是對電池質量的整個變化過程的影響可以疏忽。
6 分歧SOC鈦酸鋰電池輻射加熱工況下的電池質量損掉及電壓變化
對于100% SOC、50% SOC以及0 SOC的電池，可以從質量變化對比中發現，隨著電池SOC的下降電池熱掉控劇烈水平在減弱，電池質量損掉也在減小。0 SOC的電池幾乎沒有熱掉控過程，是以其質量損掉(238 g)相當于100% SOC電池往除熱掉控階段的質量損掉之后的質量損掉(216.6 g)。
從圖6可以看出，隨著電池SOC的下降，電池電壓也在減小，滿荷電狀態所測量的電壓值(2.5 V)要略微高于標稱電壓值(2.3 V)，而50% SOC電池的電壓(2.2 V)是低于標稱電壓值的，0 SOC的電池電壓(2 V)高于電池放電截止電壓。對于滿荷電狀態的電池，在平安閥打開之后，會出現輕微的電壓降落，然后繼續堅持平穩的狀態；而對于50% SOC和0 SOC荷電狀態的電池，電池平安閥打開之后電池的電壓變化幾乎為零。對于分歧荷電狀態的電池，電壓變為零總是發生在電池熱掉控(質量疾速損掉)之前，說明內短路產生的大批焦耳熱也是形成熱掉控的緣由之一。鈦酸鋰電池發生熱掉控前電池內部隔閡融化以及內短路等自加快反應進程快，在電池電壓方面就展現為從明顯降落到變為零，發生在幾秒鐘之內，時間很是短，變化很是快。
圖7是鈦酸鋰電池滿荷電狀態下熱掉控過程的熱釋放速度(heat release rate，HRR)和總釋放熱(total heat release，THR)。由于本實驗所用儀器是基于耗氧道理測量HRR，采樣點距離燃燒地位有必定的距離，所以采樣獲得HRR數據時間稍微延后于實際值。鈦酸鋰電池1188 s平安閥打開，1900 s擺佈開始熱掉控，最年夜熱釋放速度達到15.1 kW，總產熱達到3844.2 kJ，這相包養價格ptt當于237 g甲醇的燃燒熱，假如以熱掉控開始前損掉的質量作為電池燃燒產熱的物質質量，那么該部門物質燃燒熱值幾乎和甲醇燃燒熱值(16.2 MJ/kg)同等。整個實驗HRR測量值存在較年夜的差距，這完整取決于電池熱掉控之前，也就是射流火階段后期被吹滅的時間。
圖7 100%SOC鈦酸鋰電池輻射加熱工況下的熱釋放速度變化
2.2熱傳導加熱工況下鈦酸鋰電池熱掉控的火災危險性研討
參考2.1節滿荷電狀態電池熱掉控實驗的溫度曲線，在兩組預實驗結果參考下，加熱圈設定溫度標準為500 ℃(即通過REX-C溫度把持器設定目標值500 ℃，以此溫度持續對實驗電池加熱)，在此設定工況下，電池熱掉控之前，加熱圈和電池之間的測溫點溫度可堅持在400~500 ℃。
由圖8可知，熱傳導加熱實驗存在明顯規律，從正極側加熱到負極側加熱，離加熱圈比來的測溫點在熱掉控之前堅持的恒溫溫度值呈現減小的趨勢，能夠是因為遠離平安閥，平安閥開啟時間遲，電池內部反應沒有外界氣體的參與，反應加倍遲緩。距離平安閥地位比來的時候，平安閥打開需求的加熱時間最短，同時熱掉控開始時間和平安閥打開時間差反而最年夜，這能夠是由于接近電池平安閥加熱時，電池內部受熱發生反應產生的氣體導致接近平安閥處壓強最先增年夜，同時包養平安閥自己也受加熱的影響，穩定性改變，幾個原因的疊加感化導致加熱圈離平安閥地位比來的時候，平安閥會最早地打開。同時，由于平安閥最早地打開，電池內部壓強減小，高溫氣體以及部門未反應的電解液一向在噴出，電池達到熱掉控所需的熱量減弱，是以熱掉控所需時間更久。比擬于其他測溫點，電池中間地位測溫點2的溫度變化更能反應出平安閥開啟的時間，平安閥開啟時，測溫點2的溫度會因為電池內部高溫氣體的泄出而下降，隨后溫度又會在加熱圈的加熱感化下繼續降低。電池熱掉控開始時概況溫度均勻值(取電池概況測溫點的均勻溫度)分別為：接近電池正極側加熱時247 ℃、電池中間地位加熱時231 ℃、接近電池負極側加熱時207 ℃。對于接近電池負極側加熱，電池沒有穩定燃燒過程，也沒有射流火階段，可是有熱掉控過程。與中間地位加熱對比，接近電池正極側加熱時，電池穩定燃燒階段之后存在一段時間的微弱燃燒，然后才進進射流火階段，且射流火階段加倍劇烈。
圖8 鈦酸鋰電池傳導加熱工況下分歧加熱地位時電池概況及火焰溫度變化情況 (a) 接近正極側；(b) 中間地位；(c) 接近負極側
圖9包養網為3種分歧加熱地位下的熱掉控過程中電池質量損掉情況，此中C代表加熱圈接近正極側的加熱工況，A代表加熱圈接近負極側加熱工況，M代表加熱圈中間加熱工況。通過比較，可以得出加熱地位距離平安閥越遠，質量損掉越年夜，可是質量損掉比例差距不年夜。質量損掉占比分別為：接近正極側加熱21%、中間地位加熱25%、接近負極側加熱23%。此台灣包養網中，中間地位加熱質量損掉較年夜的緣由是中間地位加熱過程中，電池鋁質外殼由于遭到加熱圈的限制產生較年夜的應力而發生決裂(重復實驗中均發生決裂)，電池內部資料和空氣接觸，反應也加倍劇烈，質量損掉相應增多，熱掉控時質量損掉速度也是最年夜。
圖9 100% SOC鈦酸鋰電池傳導加熱工況下分歧加熱地位時電池熱掉控過程質量損掉
由圖10可知，加熱圈加熱地位接近正極側時，H TC:sugarpopular900
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