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一、研究背景
磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池具有工作電壓高、能量密度大、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，在大規(guī)模儲能領域中應用廣泛。在過充條件下，鋰枝晶在石墨負極上持續(xù)生長可能使電池聚合物隔膜穿孔，導致正負極直接接觸發(fā)生短路，造成電池的熱失控，是鋰離子電池儲能電站安全可靠運行所面臨的主要挑戰(zhàn)之一。因此，深入了解磷酸鐵鋰儲能電池的熱失控發(fā)展規(guī)律，開發(fā)針對電池熱失控的先進監(jiān)（檢）測及抑制技術對于鋰離子電池儲能電站的大規(guī)模工程應用具有重要意義。
二、重點內容
本文綜述了鋰離子儲能電池熱失控的誘因、電池內部反應過程及外部特征參量的變化規(guī)律，重點總結了當前主要的電池熱失控狀態(tài)檢測技術、智能診斷算法及儲能電站安全防控技術，最后對儲能電站熱失控狀態(tài)檢測及安全防控技術進行了總結和展望。
鋰離子電池熱失控的根本原因為包括SEI膜（Solid Electrolyte Interface，固體電解質薄膜）的分解反應、負極與電解液的反應、正極與電解液的反應以及電解液的分解反應在內的鏈式反應產生的熱-溫循環(huán)，產熱與產氣會引起內部溫度升高和壓力增大，最后導致熱失控的發(fā)生。在儲能電站中， 最常見的熱失控觸發(fā)因素是以加熱為代表的熱濫用和以過充為代表的電濫用。電池熱失控過程中，溫度、電壓等參量均會出現明顯變化，同時由于內部化學反應，電池會釋放特征氣體。目前主要基于此類信號出現的臨界條件實現電池的狀態(tài)檢測和熱失控預警。
圖1 鋰離子電池熱失控過程示意圖
目前儲能電站應用的熱失控狀態(tài)檢測技術主要包括BMS（BATTERY MANAGEMENT SYSTEM，電池管理系統(tǒng)）、氣體采樣分析器、溫度傳感器以及煙霧感應器等，檢測的特征參量主要是溫度、電流、電壓以及氫氣、一氧化碳等特征氣體，對熱失控的檢測均由自防爆閥打開后的可見煙階段開始，無法準確檢測電池熱失控的早期階段。在儲能電站運行和維護過程中，仍然存在著較高的安全風險，需要進一步的研究以優(yōu)化儲能電站熱失控預警方案。為了實現有效、準確的狀態(tài)監(jiān)（檢）測和早期預警，各類傳感器檢測技術、電化學阻抗譜、超聲檢測技術得到快速的發(fā)展。
表1 不同傳感技術優(yōu)缺點
由于鋰離子電池模組之間排列緊密，一旦單體電池發(fā)生的熱失控得不到有效遏制，火災極易傳遞相鄰電池，使得相鄰電池發(fā)生熱失控，最后導致整個儲能電站發(fā)生起火甚至爆炸。當前，鋰離子電池儲能電站的安全防控主要分為集中式防控、熱蔓延抑制、分布式防控三個方面。采用單一的防控方式或滅火劑往往不足以應對儲能電站的火災。為了達到最佳滅火效果，常需要采用多種防控方式、滅火劑相結合的方式以建立立體式多方位消防系統(tǒng)，實現聯(lián)合防控。
圖2 氣體-細水霧聯(lián)合滅火系統(tǒng)消防控制方案（集中式防控）
圖3 細水霧滅火劑可靠性驗證試驗平臺
（分布式防控：以模組為滅火單元）
圖4 自觸發(fā)電池熱失控抑制裝置布置方式示意圖
（分布式防控：以電池單體為滅火單元）
三、后續(xù)研究內容
1）電池發(fā)生熱失控的根本原因在于內部鏈式反應，因此開發(fā)本質安全的電池是解決電池熱失控問題的主要途徑。
2) 需要開展電池內部物理化學過程的原位研究，建立電池熱失控過程中內部物理化學反應過程與外部特征參量的對應關系，更加深刻理解電池熱失控的物理本質，進而提出更為準確的電池熱失控檢測特征參量。
3）檢測電池熱失控的外部特征參量只能獲得有限且延遲的信息，將傳感器植入電池內部以實現電池熱失控的檢測與預警成為當前研究熱點。然而，由于電池熱失控時內部溫度高且物理化學過程復雜，如何在不干擾電池正常工作的前提下適應復雜的內部環(huán)境并實現穩(wěn)定的特征參量檢測，是后續(xù)研究的重點內容。
4）由于儲能電站電池眾多且排列緊密，單一的滅火方式不足以完全制止儲能電站的火災，采用多種滅火方式實現儲能電站的聯(lián)合滅火，已成為目前儲能電站滅火方案的發(fā)展趨勢。
