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干貨丨船用鋰電池的安全分級及技術要求

2020-08-24 17:22:23 來源:中國船檢

目前,常用于新能源領域的鋰電主要包括磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池,按照電池形狀又可分為方形鋁殼、圓柱、軟包電池。磷酸鐵鋰電池不含有害元素,成本低廉,安全性非常好,循環壽命長,但能量密度低;三元鋰電池能量密度高,大倍率充電和耐低溫性能好,但熱穩定性差。由于不同種類的電池的結構特點及反應原理有所區別,導致其安全性各有不同,從風險控制的角度對不同安全等級的鋰電池采取不同的安全策略,這也是對鋰電池進行安全等級劃分的意義。

?船用動力鋰電池的規范及技術要求

中國船級社在對于鋰電池規范指南的研究開展的比較早,2014年7月就發布了《太陽能光伏系統及磷酸鐵鋰電池系統檢驗指南》(2014)版,隨著鋰電池技術的發展、標準的更新換代,鋰電池技術在船舶領域的應用也越來越多。2019年,中國船級社發布《純電池動力船舶檢驗指南》,替代了《太陽能光伏系統及磷酸鐵鋰電池系統檢驗指南》里面的相關要求。

2019指南比較大的幾個變化就是對試驗項目和方法進行了比較大的更新,試驗項目中,單體電池增加了熱失控試驗,蓄電池模塊和蓄電池包增加了熱失控擴散要求,試驗方法參照了相關新的IEC標準、國標等要求,使試驗更具有操作性和有效性。二是在第二章中引入了鋰電池安全分級的概念,主要將電池分為兩個安全等級,安全等級為1的蓄電池需要通過嚴格的防護措施可船用,安全等級為2的蓄電池可采用通用安全措施可船用。提出了對蓄電池風險評估的要求,從蓄電池的設計原理、理論分析、試驗結果等方面對蓄電池可能存在的風險進行評估,保證鋰電池的使用安全。

?動力鋰電池的使用風險分析及應對方法

鋰電池在實際使用過程中可能發生碰撞、過充、過放、短路等風險,從而引發熱失控,甚至導致起火爆炸。隨著單體電池能量密度的提高,安全風險也越大,熱失控釋放的能量也更高,而大多數事故因為火勢大而燒毀了現場證據,不容易找到準確的事故原因。2019年10月,挪威渡船公司Norled旗下“MF Ytteroyningen”號客船的蓄電池室發生小型火災事,事故原因不明。但動力電池的火災一般是從一個或幾個電芯發生熱失控開始的。

無論電池是因為外部力量(碰撞、擠壓、針刺、破裂等)還是由于內部因素(電池老化造成結構損傷、過充導致電池鼓包、隔膜缺陷、雜質、毛刺、褶皺等)都有可能導致內部短路,短時間釋放大量的、能量,電池溫度急劇上升,造成嚴重后果。針對動力電池熱失控發生的誘因,預防手段主要分為電芯材料的優化和外部環境的預防管理。

(1)電芯材料的優化主要通過對電芯材料的優化,阻斷熱失控的發生,提高電芯的抗熱失控能力,主要從電芯的4大主材(正極材料、負極材料、隔膜、電解液)入手,如采用熱穩定性更高的磷酸鐵鋰作為正極材料,對正極材料各元素的配比分析,提高電芯的熱穩定性,在電解液中添加阻燃劑或開發固體聚合物電解質,采用強度更高、破膜溫度更高的隔膜。對電芯材料的優化可以從根本上提升電池的安全性能,但也在一定程度上影響電池性能的發揮。

(2)針對電芯熱失控外部風險管控的措施主要分為結構預防、BMS監控及熱管理預防三個方面,如提高電池包的機械結構及防護等級;添加電芯或模組之間的間隔組件,阻止電芯或模組之間熱傳導的發生;采用風冷、水冷、油冷等減輕熱失控對電池的損傷;增加電源管理系統(BMS)通過實時監控電池電量、電池充放電、電池溫度等措施保證電池處于健康工作狀態,在系統異常及熱失控發生前對系統發出預警。

?動力電池熱失控試驗方法

中國船級社《純電池動力船舶檢驗指南》2019第7章檢驗與試驗技術要求,表7.2.1.2規定了蓄電池單體檢驗中關于熱失控試驗的試驗方法及參考標準。其中要求熱失控試驗按照電力儲能用鋰離子電池GB/T36276:2018中5.2.3.8和附錄A.2.19的要求進行驗證。試驗目的是驗證電池在一定條件下發生熱失控后的危險程度,熱失控判定合格條件是在熱失控的條件下,電池不應起火、爆炸。

如下是某型號磷酸鐵鋰單體電池熱失控試驗的基本情況:

(1)電芯容量為105Ah,試驗采用500W電加熱板接觸加熱目標電芯,加熱板通過不銹鋼夾具與電芯緊密束縛在一起。溫度傳感器布置如下:

(2)按要求對測試電芯進行加熱1h后,電池安全閥打開,開始產生可見煙氣,隨后電池發生熱失控,產生大量煙霧,熱失控發生一段時間后,煙氣逐漸減少,電池表面開始降溫,直至試驗結束。

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如上圖所示,電池表面溫度在熱失控前均在逐漸上升,在電池安全閥打開后出現一定波動,在電池熱失控后達到峰值。其中T4應安全閥脫落所測溫度出現跌落情況,因電池未起火,對環境溫度T5影響較小。

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電池試驗前后對比

?船用動力電池的安全分級要求及方法

中國船級社《純電池動力船舶檢驗指南》2019第二章第二節安全分級中對電池安全分為兩個等級:

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安全分級一覽表

注:(1) 在熱失控情況下釋放氧氣和有毒可燃氣體,燃燒(爆炸)風險較高的蓄電池,安全等級為1。

(2) 在熱失控情況下僅釋放有毒可燃氣體,燃燒(爆炸)風險較低的蓄電池,安全等級為2。

從分級一覽表中可以知道分類的主要區別是在熱失控條件下是否釋放氧氣,燃燒(爆炸風險)是否較高,目前生產鋰電池的廠家基本也都有能力進行熱失控試驗,且都能提供國家強制檢測報告,但通過熱失控的判定條件(在熱失控的條件下,電池不應起火、爆炸)可以發現,熱失控試驗并沒有要求對是否釋放氧氣及有毒可燃氣體,釋放的濃度有多少,燃燒爆炸的風險高低進行判斷。如果想要對熱失控所釋放的氣體進行分析,就必須對釋放的氣體進行收集并利用相關氣體探測器對釋放煙氣進行探測分析,而目前能達到該試驗條件并取得CCS認可的機構較少,所以盡快建立相應的試驗能力,尤為重要。

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