固態(tài)鋰離子電池在通信機(jī)房應(yīng)用的熱安全性因素分析
2023-01-25 11:51:04王一帆朱清峰劉寶慶中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司鄭州分公司河南鄭州450007中國聯(lián)通上海分公司上海00000
郵電設(shè)計技術(shù) 2022年12期
王一帆，朱清峰，祝 華，劉寶慶（.中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007；.中國聯(lián)通上海分公司，上海 00000）
1 概述
2020 年發(fā)布的《國務(wù)院政府工作報告》提出將重點支持“兩新一重”（新型基礎(chǔ)設(shè)施，新型城鎮(zhèn)化，交通、水利等重大工程）建設(shè)［1］，其中新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)包括5G基站建設(shè)、大數(shù)據(jù)中心建設(shè)等通信局（站）的建設(shè)。電源基礎(chǔ)設(shè)施屬于通信局（站）的基石，供電安全是通信電源技術(shù)研究的永恒主題。影響供電安全的因素較多，本文從通信備電的角度對供電安全進(jìn)行探討。
通信備電應(yīng)用最廣泛的是蓄電池備電，蓄電池應(yīng)用場景可分為通信局房和通信基站兩大類。通信局房按局址內(nèi)安裝的通信設(shè)備的重要性進(jìn)行區(qū)分，包括數(shù)據(jù)中心、省級樞紐局房、省級核心局房、核心節(jié)點局房、匯聚局房和綜合業(yè)務(wù)接入點6種場景；通信基站按建設(shè)形式進(jìn)行區(qū)分，包括室內(nèi)型基站和室外型基站2種場景。目前鋰離子電池憑借其能量密度高、體積小、充放電性能好等優(yōu)點已在通信基站尤其是室外型基站等場景下得到了大量應(yīng)用，但是局限于安全性問題，鋰離子電池僅在少部分作為試點的通信局房進(jìn)行應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，在鋰電池的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的固態(tài)鋰電池技術(shù)已逐漸得到眾多行業(yè)的關(guān)注。2022 年8 月18 日，科技部等九部門印發(fā)《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實施方案（2022—2030 年）》提出研究固態(tài)鋰離子、鈉離子電池等更低成本、更安全、更長壽命、更高能量效率、不受資源約束的前沿儲能技術(shù)；2022年8 月25 日，工信部公開征求對《關(guān)于推動能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》的意見。在新型儲能方面提出開發(fā)安全經(jīng)濟(jì)的新型儲能電池，加快研發(fā)固態(tài)電池、鈉離子電池、氫儲能/燃料電池等新型電池。
隨著眾多國家政策的支持，目前已有部分固態(tài)鋰電池應(yīng)用于新能源汽車等行業(yè)，但其能否保證通信備電安全仍是一個未知數(shù)，故如何分析歸納固態(tài)鋰電池的安全性因素將對固態(tài)鋰電池在通信局（站）的應(yīng)用具有重要意義。固態(tài)鋰電池的安全性因素較多，但最主要的是熱失控問題，熱失控的誘因主要分為電池內(nèi)部因素和外部環(huán)境因素，本文將結(jié)合通信行業(yè)現(xiàn)狀，從誘發(fā)固態(tài)鋰電池?zé)崾Э氐膬?nèi)部因素和外部因素進(jìn)行剖析，為固態(tài)鋰電池在通信行業(yè)的推廣應(yīng)用提供參考。
2 固態(tài)電池分類
固態(tài)電池是指采用固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池，在工作原理上，固態(tài)鋰電池和傳統(tǒng)鋰離子電池并無區(qū)別。傳統(tǒng)鋰離子電池的電解質(zhì)為液態(tài)的，通過鋰離子在電解質(zhì)中的遷移來完成正負(fù)極間的穿梭，從而實現(xiàn)電池的充放電功能，而固態(tài)鋰電池的電解質(zhì)為半固態(tài)或者全固態(tài)［2］。與傳統(tǒng)鋰電池相比，固態(tài)電池最突出的優(yōu)點是安全性［3］，固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的核心，電解質(zhì)材料很大程度上決定了固態(tài)鋰電池的各項性能參數(shù)。
固態(tài)電解質(zhì)研究是儲能領(lǐng)域非常熱門的研究領(lǐng)域，報道的材料體系繁多，性能各異，目前最具市場化或商業(yè)化前景的固態(tài)電解質(zhì)材料主要有三大類：聚合物、無機(jī)氧化物以及硫化物［4］。各類固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)缺點如表1所示。
表1 各類固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)缺點
聚合物電解質(zhì)具有諸多獨特的優(yōu)勢，包括力學(xué)柔性、對電極材料的黏附性、對金屬鋰電極的穩(wěn)定性、易加工性以及低成本等，但其電導(dǎo)率低的缺點也是顯而易見的。若想提高聚合物電解質(zhì)的電導(dǎo)率，通常需要將環(huán)境溫度維持在60 ℃～70 ℃，但升溫后電池的溫度將距離熱失控溫度臨界點較近，存在一定的安全隱患。
氧化電解質(zhì)在25 ℃下離子導(dǎo)電率可超過10?4S/cm，且對空氣和水分相對穩(wěn)定、對電化學(xué)窗口寬、鋰負(fù)極兼容性強(qiáng)，被認(rèn)為是最有吸引力的固態(tài)電解質(zhì)材料之一。制約氧化電解質(zhì)發(fā)展的重要因素是電解質(zhì)和電極之間的界面阻抗較大，界面反應(yīng)造成電池容量衰減。
硫化物電解質(zhì)25 ℃下離子導(dǎo)電率最高可達(dá)到1.2×10?2S/cm，因硫化物電解質(zhì)與鋰電極的界面穩(wěn)定性較差，研究難度相對較大，但同時開發(fā)潛力也是最大的。目前國內(nèi)硫化物電解質(zhì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展還有很大空間。
總體來說，目前最具潛力的固態(tài)電解質(zhì)材料有聚合物、硫化物和氧化物，其中聚合物電解質(zhì)、氧化物電解質(zhì)的半固態(tài)電池已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段，而全固態(tài)電池以及硫化物電解質(zhì)固態(tài)電池仍有一段路要走。本文就已商用的聚合物電解質(zhì)和氧化物電解質(zhì)半固態(tài)電池在通信行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行分析。
3 通信機(jī)房供電模式及環(huán)境要求
為研究固態(tài)電池在通信行業(yè)的應(yīng)用，首先需要明確通信行業(yè)的供備電現(xiàn)狀，通信機(jī)房的供電模式主要分為集中式供電和分散式供電［5］。
集中式供電是將UPS 系統(tǒng)、開關(guān)電源系統(tǒng)、油機(jī)、蓄電池組等安裝在電力室和電池室，多個通信機(jī)房的電源都從電力室中的交流（或直流）配電屏中取得。按照集中式供電方式，蓄電池組單獨具備蓄電池室，蓄電池室環(huán)境要求見表2［6］。
表2 特殊通信機(jī)房環(huán)境要求
分散式供電是指把整流器、蓄電池組及相應(yīng)的配電單元都安裝在通信機(jī)房內(nèi)部，并直接向該通信機(jī)房供電。按照分散式供電方式，蓄電池組和通信機(jī)房共用一個機(jī)房，不同類型通信機(jī)房的環(huán)境要求如表3 所示。
表3 各類通信機(jī)房環(huán)境要求
除上述環(huán)境外，隨著5G 業(yè)務(wù)發(fā)展，部分基站電池掛靠室外。在此類環(huán)境下，蓄電池組的環(huán)境和室外環(huán)境保持一致，一般溫度范圍為?30 ℃～40 ℃。
綜上所述，無論采用何類供電方式，安裝在室內(nèi)機(jī)房中的蓄電池組的工作環(huán)境溫度都不超過30 ℃，而室外環(huán)境中蓄電池組的工作環(huán)境溫度有可能達(dá)到40 ℃。
通信局站的備電時長將直接影響其電池組的放電倍率，電池組放電倍率越大，其發(fā)熱越大，也將給電池的熱失控帶來一定的風(fēng)險。通信機(jī)房、數(shù)據(jù)中心和基站的蓄電池組備電時長分別如表4、表5 和表6 所示［7?8］。
表4 通信機(jī)房蓄電池備電時長 單位：h
表5 數(shù)據(jù)中心蓄電池備電時長
分析表4、表5 和表6 可知，根據(jù)使用場景的不同，數(shù)據(jù)中心的備電時間一般為7 min～15 min，即電池放電倍率為4 C～9 C；通信機(jī)房的備電時間一般為0.5 h～4 h，即電池放電倍率為0.25 C～2 C；基站備電時間一般為0.5 h～5 h，即電池放電倍率為0.2 C～2 C。
表6 基站蓄電池備電時長 單位：h
4 熱失控分析
固態(tài)電池?zé)崾Э氐恼T因來源于2 個方面：一方面是電池材料以及生產(chǎn)工藝的問題；另一方面是電池應(yīng)用過程中的問題。電池材料中摻雜金屬雜質(zhì)和電池生產(chǎn)過程中的極片毛刺、正負(fù)極錯位、電解液分布不均、隔膜表面導(dǎo)電粉塵等都會給日后的應(yīng)用留下安全隱患。在電池應(yīng)用過程中熱失控的原因主要分為電濫用及熱濫用兩大類。
4.1 電濫用
電濫用主要是由電池的使用不當(dāng)造成的，有外部短路、過度充電和過度放電幾種類型。
其中過度充電和過度放電的主要原因為電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）及其傳感器故障導(dǎo)致的測量信號不準(zhǔn)或執(zhí)行器無動作等異常。在電池充、放電過程中，當(dāng)電壓上升或下降至截止電壓時，若仍無法及時斷電，就會導(dǎo)致過度充電、過度放電情況的出現(xiàn)。
4.2 熱濫用
熱濫用主要指在電池中的局部過熱造成的熱失控，主要有以下幾部分原因。
a）大倍率充放電。在通信機(jī)房中，電池組在充電過程中，一般為0.1 C小倍率充電，在放電過程中，按照不同機(jī)房的備電要求，電池組的放電電流可能會達(dá)到4 C 甚至更高。這一方面需要警惕大倍率放電情況下的溫升問題，另一方面在電池組過度放電后，SEI 膜分解，極片受損，負(fù)極過放表面析出銅離子形成銅枝晶，隔膜孔隙間存在微短路現(xiàn)象。
b）局部過熱。
（a）對于聚合物電解質(zhì)固態(tài)電池，為增加其導(dǎo)電率，通常會提高工作環(huán)境溫度，但同時也將加大其熱失控的風(fēng)險。
（b）當(dāng)電池組在室外基站等場景下應(yīng)用時，因戶外環(huán)境溫度過高，電池組的熱失控風(fēng)險增加。
（c）由于電池組是由多個電芯并聯(lián)或者串聯(lián)形成的，內(nèi)部各電芯布局不合理產(chǎn)生的散熱不均也將導(dǎo)致電池組熱失控。
5 固態(tài)電池?zé)崾Э胤婪端伎?/h2>
結(jié)合通信行業(yè)場景，固態(tài)電池在通信行業(yè)的應(yīng)用應(yīng)更關(guān)注以下幾點。
a）材料結(jié)構(gòu)改進(jìn)。從電芯材料結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改造，從而使鋰電池具備更好的耐熱、散熱性能。以目前的研究熱點來說，對正負(fù)極材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造以及引入安全性更高的隔膜材料都是提升電池?zé)嵝阅艿闹髁鞣椒ㄖ弧?/p>
b）固態(tài)電池放電倍率選擇。聚合物及氧化物電解質(zhì)固態(tài)電池由于電導(dǎo)率較低，從原理上其放電倍率略顯不足，故對于如數(shù)據(jù)中心等場景下的備電，可提高固態(tài)電池的容量來降低放電倍率，繼而降低因大電流放電導(dǎo)致的熱失控風(fēng)險。
c）冷卻方式的提升。在應(yīng)用過程中，電力室或者機(jī)柜中的電池組被其他電池組包圍，電池組出現(xiàn)溫升后散熱條件不理想的情況。應(yīng)更有針對性地對電池組、電池室的散熱方式進(jìn)行選擇，對散熱設(shè)計值進(jìn)行復(fù)核計算等。
d）完善BMS 控制策略。BMS 在固態(tài)電池的全生命周期中起到不可或缺的作用，其采集、控制系統(tǒng)的可靠性以及控制策略的完備性關(guān)乎電池組的穩(wěn)定安全運(yùn)行，應(yīng)充分考慮單電池組BMS 與電池組系統(tǒng)BMS的協(xié)調(diào)關(guān)系。
e）消防措施。引入多級消防防控措施，確保電池組、電池柜、電池室等多級消防聯(lián)動，同時針對不同級別的消防研究制定不同的消防策略。
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