鋰離子電池在儲能中的應(yīng)用及安全問題分析

冷旭寧 朱作鑫

摘要：本文主要針對鋰離子電池在儲能中的應(yīng)用及安全問題展開研究，先分析鋰離子電池易發(fā)事故，然后詳細(xì)論述鋰離子電池在儲能中的應(yīng)用及安全預(yù)防措施，主要包括加強優(yōu)質(zhì)電池的合理選擇、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計、實施分級預(yù)警和多級防護機制等，旨在不斷提高鋰離子電池的應(yīng)用水平，滿足安全性要求，并確保良好的儲能效果。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;儲能;應(yīng)用;安全問題

現(xiàn)階段，在人類社會不斷發(fā)展過程中，氣候變暖、環(huán)境污染等環(huán)境問題越來越嚴(yán)重化。綠色、低碳的儲能器件越來越盛行，已經(jīng)成為了人們共同關(guān)注的焦點話題之一。對于鋰離子電池來說，作為儲能器件之一，其新型化特點突出。當(dāng)前，在鋰離子電池研究中，安全性與可靠性為重中之重，不僅要注重電池能量密度的提升，也要給予安全性一定的保證，這兩者都是必須要實現(xiàn)的。

一、鋰離子電池易發(fā)事故分析

（一）鋰電池

1.單體電池

超溫，為單體安全問題之一，面對溫度失控現(xiàn)象的發(fā)生，對其原因進行分析，主要包括：首先，能量守恒原理。在電池充放電中，能量損失，會實現(xiàn)放電時化學(xué)能/充電時電能向熱能的順利轉(zhuǎn)變。能量密度與熱量產(chǎn)生成正比。如果熱量無法及時散出，一旦積聚于電池內(nèi)部，極容易造成高溫現(xiàn)象的出現(xiàn)。如果電池高溫狀態(tài)持續(xù)時間較長，會加劇電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)熱也比較明顯，從而升高溫度。其次，電解液易燃特性+高能量密度?，F(xiàn)階段，對于醚類有機溶劑來說，具有較高的離子輸運能力，而且具有純度高、易燃性特點，電池的高能量密度值的獲取，主要得益于電池電壓的升高。如果缺少充足的電解液耐高壓能力，極容易加劇氧化分解的發(fā)生，放出的熱量【1】，會大大增加電池溫度，基于高溫作用下，電池內(nèi)部各種副反應(yīng)將會難以避免。如果電池溫度持續(xù)增加，電解液與粘結(jié)劑熱反應(yīng)會暴露出來，并促使熱失控。在熱失控階段的影響下，電池會短期出現(xiàn)起火等不良現(xiàn)象。一個電池失效，對于整個儲能系統(tǒng)的影響較大，其后果不堪設(shè)想。

2.電池組

相比于單只電池，電池的一致性如果不足，會影響到串/并聯(lián)電池組，效率、安全性等性能均難以保證。對于電池的不一致性來說，主要是指電池即使規(guī)格型號相同，其電壓、內(nèi)阻等參數(shù)數(shù)據(jù)有著明顯的區(qū)別。分析其影響因素，首先，先天因素。如果電池制造過程的工序較多，在相關(guān)因素的影響下，如現(xiàn)有工藝技術(shù)和制造成本等，極容易造成多批次出廠的單體電池出現(xiàn)誤區(qū)，特別在性能指標(biāo)方面，其一致性難以得到滿足，所以在電池系統(tǒng)成組前，分選是非常有必要的，所選的電池在容量、內(nèi)阻等指標(biāo)方面，應(yīng)滿足一致性要求。對于被分選的電池，如果屬于梯次利用的范圍【2】，會進一步加劇電池之間的差異性。其次，電池系統(tǒng)的不一致性。與單體電池進行對比，電池組的溫度失控比較迅猛化，其嚴(yán)重性突出。在儲能系統(tǒng)中，比能量較多，而且電池具有較大的比功率，電池在有限空間內(nèi)得到了密切的排列。在使用方面，各單體電池的相關(guān)運行工況有著明顯的差異性，尤其在電流、電壓等方面，且各單體衰減特性也是不相同的。對此電池組，與充放電循環(huán)之間的聯(lián)系性密切，產(chǎn)熱的均勻性難以保證，電池間溫差也越來越明顯，嚴(yán)重威脅到部分電池的充放電性能，甚至影響到其使用壽命，從而使安全隱患更加容易發(fā)生。

（二）鋰離子電池的易發(fā)事故分析

首先，連鎖反應(yīng)。眾所周知，儲能系統(tǒng)不具備獨立運行的狀態(tài)。面對儲能故障脫網(wǎng)的發(fā)生，會加劇電網(wǎng)波動的出現(xiàn)，并影響到其它相連系統(tǒng)。其次，火災(zāi)。在鋰離子電池燃燒方面，氧氣并沒有參與其中，內(nèi)部材料化學(xué)反應(yīng)比較明顯，不建議采用傳統(tǒng)隔絕氧氣滅火辦法?，F(xiàn)階段，在滅火系統(tǒng)中，滅火措施的有效性有待考證，面對火災(zāi)的出現(xiàn)，如果撲滅不及時【3】，將會使事故越來越嚴(yán)重。在電池著火的同時，儲能系統(tǒng)電氣火災(zāi)的出現(xiàn)也是難以避免的。最后，人身傷害。在電池著火和爆炸的影響下，極容易波及到現(xiàn)場工作人員的人身安全。電解液中的六氟磷酸鋰，在燃燒過程中，會促使有毒氣體氟化氫的大量釋放，從而刺激到眼睛、皮膚。

二、鋰離子電池在儲能中的應(yīng)用及安全預(yù)防措施

（一）加強優(yōu)質(zhì)電池的合理選擇

分析生產(chǎn)工藝問題的發(fā)生，主要是因為微粒或灰塵，存在于電池制備過程中;極片切割，促使金屬毛刺的形成;隔膜上出現(xiàn)的微孔洞較多;漿料混合的均勻性難以保證;每個極片厚度和質(zhì)量的一致性不足，這些安全隱患都是不容忽視的?；诖?，要想滿足系統(tǒng)性和安全性需求，必須要對電池供應(yīng)商進行合理選擇。特別在梯次利用過程中，應(yīng)從健康狀態(tài)和剩余壽命等指標(biāo)出發(fā)，為診斷篩選分組再造提供可行依據(jù)。

（二）優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計

對于隔熱阻燃襯層，設(shè)置在電池艙四周艙壁為最佳，在材料使用方面，應(yīng)滿足耐高溫和絕熱性能需求，將電池艙的隔熱阻燃性能提升上來。在熱管理設(shè)計過程中，基于有限的空間內(nèi)，可以為高容量電池溫度區(qū)間的適宜性創(chuàng)造有利條件，同時將溫度分布的均勻性發(fā)揮出來【4】。其中，溫度分布均勻的方法，主要包括改造空冷系統(tǒng)流道、改變流向等;研制的阻燃型新型液態(tài)冷卻劑，應(yīng)具備良好的導(dǎo)熱性能，為取得良好的散熱效果提供極大的便利性;要想不斷提高降溫水平，應(yīng)加強熱管冷卻技術(shù)的研發(fā)，但是要符合經(jīng)濟型標(biāo)準(zhǔn);可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)的軟件，對于提高電池單體差異和成組后的匹配度具有極大的幫助。

（三）實施分級預(yù)警和多級防護機制

在電池包內(nèi)，應(yīng)加強煙霧和溫度探測控制器的安裝，并對內(nèi)置式滅火裝置進行放置，一旦探測器發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，內(nèi)置滅火器會得到啟動，形成對起火風(fēng)險的有效控制，并為報警信號的發(fā)出創(chuàng)造有利條件。在電池單元、電池柜等安全防護方面，消防預(yù)警系統(tǒng)聯(lián)動BMS具有較高的應(yīng)用價值【5】，尤其在電池運行狀態(tài)、消防系統(tǒng)的切斷、啟動方面，將安全防護多層級發(fā)揮出來。同時，外部消防緊急接口的設(shè)置也是必不可少的?；诰o急情況，可以手動開啟校方系統(tǒng)。

（四）開發(fā)并產(chǎn)業(yè)化固態(tài)鋰離子電池

在充放電過程中，液態(tài)電解質(zhì)會實現(xiàn)向鋰枝晶的順利轉(zhuǎn)化，鋰枝晶會對電池壽命造成影響，并促使內(nèi)短路的出現(xiàn)。相比于液態(tài)電解液的全固態(tài)鋰離子電池，非可燃性固態(tài)電解質(zhì)具有良好的替代效果，避免安全問題的出現(xiàn)，如電池電解液腐蝕、泄露等。現(xiàn)階段，在鋰電池研究方面，有機和無機固態(tài)電解質(zhì)非常關(guān)鍵，但固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率并不高，有著較高的結(jié)晶率，擴散速率與液態(tài)有著明顯的差距。

（五）升級電解液配方和正負(fù)極材料

添加阻燃劑、多鹽體系、高濃度等電解液，是電池性能改善的重要舉措之一。針對于鋅基鋰離子電池，具有較高的循環(huán)壽命特點，其電解質(zhì)、負(fù)極分別為水溶液、金屬鋅。

三、結(jié)束語

總而言之，在鋰離子電池技術(shù)不斷發(fā)展過程中，其創(chuàng)新元素的融合較多，但是也不能滿足于此，而是要高度注重研發(fā)、設(shè)計、制造、運營等環(huán)節(jié)，確保鋰電池儲能水平的穩(wěn)步推進。

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[5]曹連勝，趙超，金欣，等. 基于離子選擇性遷移策略的動力/儲能電池隔膜的研究進展[J]. 復(fù)合材料學(xué)報，2021，38（7）：2027-2039.

作者簡介：冷旭寧，1987年11月出生，男，山東海陽人，博士，工程師，研究方向：新能源化學(xué)儲能與動力電池;

朱作鑫，1985年12月出生，男，山東日照人，博士，高級工程師，研究方向：功能材料制造與應(yīng)用。