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储能用锂离子电池安全性测试与评估方法比较

作者:胡振恺 雷博 来源:储能科学与技术 发布时间:2022-06-13 浏览:

中国储能网讯:

作者:胡振恺 1 图片雷博 2李勇琦 1史尤杰 2雷旗开 1何智鹏 2

单位:1. 南方电网调峰调频发电有限公司;2. 南方电网科学研究院有限责任公司

引用: 胡振恺,雷博,李勇琦等.储能用锂离子电池安全性测试与评估方法比较[J].储能科学与技术,2022,11(05):1650-1656.

DOI:10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0510

摘 要 作为支撑智能电网和能源转型发展的关键技术,储能受到了全球的广泛关注。锂离子电池因能量密度高、寿命长和无污染等性能,成为大规模储能的首选储存载体之一,锂离子电池储能规模也在迅速增长。但是近年来,锂离子电池热失控火灾事故频发,成为制约其大规模应用的关键因素。针对这一问题,本文归纳对比了国内外常用的储能用锂离子电池安全测试标准,如IEC 62619、IEC 63056、UL 1973和UL 9540A等国外标准,以及GB/T 36276、T/CNESA 1004等相关国家标准、团体标准。同时,根据储能系统的特性,着重从单体、模组、单元与安装等储能系统四个不同层级,将热失控测试方法进行了探讨分析,指出了国内现行测试标准的不足,并提出合理化建议,旨在维护锂离子电池储能系统的安全底线。

关键词 储能;锂离子电池;安全性能;测试标准

近年来,能源紧缺和环境污染等问题日益凸显。大力推进可再生能源发展,已成为转变能源结构和改善环境的重要选择,也是实现我国可持续发展战略的必由之路。但是风电和光伏发电的间歇随机性,会对电网造成冲击,不利于其安全稳定运行,同时制约了其自身的大规模应用。发展高效、安全的储能技术,是解决上述问题的最佳方案,是促进能源转型变革的关键技术。当前,国家高度重视发展新能源产业,储能技术作为关键支柱产业也得以蓬勃发展。锂离子电池因能量密度高、寿命长和无污染等性能,成为大规模电力储能的首选储存载体之一。截至2020年底,国内已建的电化学储能项目规模为3269.2 MW,其中锂离子电池储能占比88.8%,可达到2902.4 MW。

锂离子电池包含高能量密度的正负极、易燃的隔膜和电解液等材料,在不合理的使用情形下,易引发电池热失控,电池内部本体反应和外部火焰燃烧在短时间产生大量热量,伴随冒烟、起火和爆炸等现象。储能电池系统往往是由成百上千节的单体电池按特定要求经过电气连接组成,容量可达到兆瓦时或者吉瓦时,一旦某节电池发生热失控火灾,其内部反应和喷出物质燃烧释放的热量,如扩散到相邻的电池和可燃材料,将造成整个模组甚至储能电站的起火爆炸。近10年来,全球的锂电储能系统共发生了32起主要火灾爆炸事故,其中我国发生3起储能系统起火事件,如2021年4月,北京储能电站火灾事故等。可以看出,储能用锂离子电池相关安全标准有待进一步完善。锂离子电池安全是一个综合性问题,涉及电池材料、应用场景和滥用方式等诸多因素,但先进完善的安全性、可靠性测试标准,可以评估储能电池系统的安全性和可能发生的问题,从而确保储能电站的安全运行。

综上所述,储能用锂离子电池作为储能电站的核心部件之一,其安全性是储能电站稳定运行的重中之重,因此研究高效合理的储能用锂离子电池安全性测试和评估方法也显得尤为迫切。基于此,本文通过对主要的储能锂离子电池安全测试标准对比研究,系统地分析和总结各具体热失控试验方法,指出国内现行安全测试的不足之处,并提出合理化建议,以期为建立更加完善和科学的定量实验方法提供参考和借鉴。

1 储能用锂离子电池安全性测试评价体系

国外相关的标准制定机构主要是国际电工委员会(IEC)和美国保险商实验室(UL)。国内是以储能国标为主导,此外有由中国电力企业联合会(CEC)、中关村储能产业技术联盟(CNESA)等社团组织牵头制定部分行业(团体)标准。国内外常用的储能用锂电池安全测试标准如表1所示,各标准的适用范围和侧重点不同,测试的项目和方法也存在差异。

表1   国内外常用储能锂离子电池安全性测试标准

1.1 国际标准

国际电工委员会制定和颁布的IEC储能电池安全测试标准是国际标准,主要包括IEC 62619和IEC 63056,标准内容全面,层次清晰,对各国标准的制定具有较强的参考价值,如韩国的KC 62619和日本的(JISC 8715-2)系列标准均是依据IEC标准修订编制。

IEC 62619规定了锂离子电池在工业设备用途方面的最基本安全要求,适用范围较广,包括固定式和电动式等储能用锂离子电池,但不适用于道路车辆和便携设备用锂离子电池。标准安全要求由功能安全和产品安全两部分组成,其中功能安全针对电池管理系统的要求,测试其过热控制、过充电电压控制和电流控制。而产品安全是针对单体、模组和电池组系统,强调在合理的滥用条件下对安全性的测试和评估,主要测试内容有热滥用、撞击和跌落、强迫放电、过充电以及内短路和热失控扩散试验。IEC 62619标准仅包括安全性能测试,测试项目相对较少,但有深度,目前是电工产品安全检测和认证(CB)的重要标准之一。

IEC 63056是针对直流电压1500 V以下的储能用锂离子电池及电池组的测试标准,是附加安全要求,同时IEC 62619规定了基本安全要求。标准测试项目涵盖了耐热性、运输和安装过程中的电气绝缘和短路保护、反向连接保护、过放电电压控制以及跌落试验。

1.2 美国标准

美国保险商实验室(UL)是世界领先的标准开发组织。UL储能电池相关的安全测试标准主要有UL 1973、UL 9540和UL 9540A,其考虑全面且严谨,在北美普遍使用,具有较大的影响力和代表性。目前,UL 1973、UL 9540和UL 95040A是美国和加拿大的双重国家标准。

UL 1973是针对储能用电池、电动轨道和铁路应用的辅助电池,覆盖了各类锂电池、液流电池以及高温钠电池等电池种类,涵盖了对储能系统的产品、结构和功能安全等要求。UL 1973测试内容包括环境试验、机械试验和电气试验以及电芯失效试验等。与IEC 62619和GB/T 36276相比,UL 1973标准评估和测试的滥用情况更为全面。

UL 9540是全球首个固定储能的安全标准,涵盖了储热、电化学和机械储能三种储能类型。作为系统标准,UL 9540规定和评估系统中组件的安全性以及兼容性,如功率转换系统、消防系统等,从而为储能消防安全和建筑提供具体的规范指导。其中UL 9540A是用于储能系统热失控火蔓延的测试方法标准,采用了从电芯、模块、单元到安装级别的层级递增的测试方式,测试的结果定性和定量给出了储能电池的火灾风险,为储能系统设计和灭火器选型提供参考和依据。国际防火规范(IFC)和美国消防协会NFPA 855均要求储能电池和储能系统必须分别有UL 1973和UL 9540的认证。UL安全测试标准具有应用性强和覆盖面广的特点。

1.3 国内标准

与国外标准不同,国标并未将储能电池的安全标准分离出来,而是作为相关安全规范中的一部分进行规定。涉及安全测试方法的国标主要是GB/T 36276。作为我国首个储能锂离子电池国标,GB/T 36276为储能电池的测试认证提供了依据,也向储能行业提出规范化安全要求,对国内储能的健康发展起到引领作用。GB/T 36276针对性更强,只规定了储能锂离子电池相关测试和安全要求,测试项目更多地和储能设备的使用环境相结合,覆盖面广,主要包括安全性能和电性能测试。安全性能的部分试验项目与IEC 62619相同,此外,独有的测试项目主要包括盐雾和高温高湿、耐压和绝缘性能试验等。GB 38031《电动汽车用动力蓄电池安全要求》是首个强制性动力电池国标,代替了原有的GB/T 31485和GB/T 31467.3,备受关注。GB/T 36276在制定时多引用动力锂离子电池相关测试内容,此外,标准中的热稳定性测试,即电池系统热扩散和外部火烧等,对储能电池系统测试具有很强的参考价值。

国内行业和团体标准包括NB/T 42091、T/CEC 172和T/CNESA 1000以及T/CNESA 1004。其中,NB/T 42091制定较早,为2016年,规定了储能用锂离子电池技术要求和试验项目,其中安全测试项目包括机械测试和电气测试。T/CEC 172主要参照国标,单独将试验方法和安全要求分离成一个标准,并对个别试验方法做出修改调整。T/CNESA 1000规定了储能系统的评价方法和评价指标,其中的试验测试是引用的GB/T 36276和IEC 62619。T/CNESA 1004则创新性地提出从热失控发生可能性和火灾严重性两方面对锂离子电池火灾危险性进行等级划分。

综上所述,国内外主要的锂离子电池安全标准在测试项目和适用范围上有所不同,但都主要规定从电芯、模组到系统进行分层级测试,此外,除常规安全性能和电性能测试外,依据储能产品的特性增设了热失控测试项目,这表明,储能用锂离子电池安全标准体系正在逐渐完善。

2 储能用锂离子热失控测试评价研究

在电滥用、热滥用和机械滥用条件下,电池内部会发生多个复杂的化学和物理反应,热失控所释放出的大量热量和气体引发多米诺效应,使储能系统中其他电池也发生热失控,形成储能系统的热失控火蔓延,造成无法估量的损失。开展热失控行为和火蔓延特性研究,既可以及早检验储能系统电池和设计是否合格,降低安全风险,又可以掌握热失控火蔓延特性,从而为储能系统的安全设计和救援提供技术指导和理论支持。标准中每个测试项目都是模拟在实际运行中可能发生的电池滥用情形。因此,本文重点分析了热滥用条件下的电池热失控测试方法,探讨了在储能系统不同层级热失控传播测试和评价方法。

2.1 储能用电池单体热滥用和热失控测评

2.1.1 热箱试验

当前储能用锂离子电池安全标准中的热滥用测试主要以热箱试验为主,且不同标准的测试方法相同,但具体参数设置有所差别。

IEC 62619规定的单体电池热滥用试验方法如下:将满电电芯放置在热箱中,热箱以(5±2) ℃/min速率升至(85±5) ℃,并保持3 h后停止加热。此过程电芯不起火爆炸则为合格。GB/T 36276参考GB 38031,将高温搁置温度设定为(130±2) ℃,但高温搁置时间降低为30 min,随后继续观察1 h。UL 1973的热滥用试验则采用便携式设备的锂离子电池安全检测标准UL 1642,高温搁置时间仅为10 min。笔者认为IEC 62619的参数设置更为合理,考察了储能用锂离子电池长时间高温搁置的安全性能,而不是便携设备的高温下短期搁置安全性能,且高温搁置温度要更符合实际的储能应用。

T/CNESA 1004采用热箱试验评估热失控发生的可能性。热箱的高温搁置温度依次设定为140 ℃、160 ℃和180 ℃,并在每个温度台阶保持30 min,如检测到电池发生热失控,则记录热失控临界环境温度T0∶上一搁置温度<T0<本次搁置温度之间,否则为T0>180 ℃。热失控判据:电池起火爆炸或温升速率>1 ℃/s(持续3 s以上)且电池温度>200 ℃。热箱试验开展3次,取3次实验的最小值T0作火灾危险性分级的试验结果。热箱的三个高温搁置温度设置依据分别为PE隔膜熔点(135 ℃),PP隔膜熔点(165 ℃)和正极与电解液反应温度(180~200 ℃)。

2.1.2 热失控燃烧试验

因储能用锂离子电池容量和尺寸较大,热失控燃烧试验可在大尺度锂离子电池火灾危险性试验平台和防爆罐中开展,结合热释放速率测量系统、傅里叶红外气体分析仪和气相色谱仪等仪器对单体电池燃烧的热释放速率,产生烟气和气体释放进行测量和分析。

GB/T 36276规定的热失控试验采用平面状或棒状加热器,与单体电池表面直接接触,并在其表面覆盖陶瓷或绝缘层等,完成两者的装配。加热器的功率应符合表2的规定,温度传感器安装在远离加热器的电池一侧。以最大加热功率对电池加热,如检测到热失控或电池温度为300 ℃,则停止试验,记录实验结果。热失控判据:满足①&③或②&③或④,其中:①电池产生电压降;②电池达到规定的保护温度;③电池温度升温速率≥1 ℃/s;④在试验过程或者试验结束的1 h内,电池有起火、爆炸发生。

表2   GB/T 36276热失控试验加热功率选择

T/CNESA 1004采用燃烧试验评估锂离子电池火灾的严重度。在锂离子电池火灾危险性试验平台开展试验,圆柱形电池和方形电池分别使用加热棒和加热板进行加热。加热装置的功率和加热方式应按表3选择。温度传感器和其他试验设置与GB/T 36276中的一致。对于不自燃的电池,采用点火器引燃。标准化热释放速率峰值图片由热释放速率除以表面积标准化得到。燃烧试验共进行3次,取3次实验的最大值图片作火灾危险性分级的试验结果。根据热箱试验中的T0和燃烧试验中的图片综合确定锂离子电池火灾危险性的等级,详情可参见图1。

表3   T/CNESA 1004燃烧试验加热功率图片

图1   锂离子电池火灾危险性等级划分图

UL 1973电芯燃烧试验规定,将电池样品放置在一个测试笼中的铁网上。采用蓝色火焰在铁网下方对电池进行燃烧,直至电池爆炸或燃烧完全。测试笼的整体尺寸可以增加,以容纳大型电池。燃烧结束后,局部或整个电池(含碎屑)均未穿出测试笼。而GB 38031外部火烧试验是以电池包或电池系统为对象,按规定将其暴露在火焰中一定时间。火源是引燃的汽油。外部火烧试验共分为预热、直接燃烧、间接燃烧和离开火源四个阶段。为模拟动力汽车的应用场景,可以对起保护作用的车身结构开展火烧试验。

UL 9540A则可在大型防爆罐中开展热失控试验。试验采用薄膜加热器,覆盖在电池表面,明确对电池的加热速率为4~7 ℃/min。如果加热无法引发热失控,可采用电或机械滥用等其他触发方式,但至少开展四次重复试验,以确保结果的一致性和重复性,记录电池安全阀打开温度和热失控温度。试验采集防爆罐中电池热失控气体,使用气相色谱仪或等效气体分析技术确定气体总量、气体成分及占比,结合相关标准计算气体的燃烧速率、最大爆炸压力、室温和排气温度下的燃烧下限。

2.2 储能用电池模块热失控传播测试评价

对于储能电池模组或储能系统单元而言,关于热失控传播的测试评价也同样重要。其主要在考察储能电池模组内部电芯间的相互影响以及系统的整体热控制能力,关键在于热失控触发方式和对象的选择以及热失控判定依据等,研究储能电池热失控传播特性和机理,从而为储能系统的安全设计提供指导。

GB/T 36276的热失控传播试验方法规定如下:热失控触发对象应为可实现热失控的单体电池,且其释放的热量极易传递至相邻电池。可采用过充和加热作为热失控触发方式,其中加热触发与单体电池的热失控试验布置相同。过充触发规定只对满电的触发对象以恒流充电至热失控或电池的荷电状态为200%,模组中其他电池不进行过充,充电电流最小为1/3 C,最大不超过电池持续工作的最大许用电流。为判断电池模组是否发生热失控扩散,需要实时监测触发对象和相邻的两个单体电池温度和电压。热失控的判定方法与单体电池的热失控试验一致,如相邻电池发生热失控或模组内存在起火、爆炸,则判定热失控传播发生。

GB 38031的热失控传播测试方法与GB/T 36276相似,同时增添针刺的触发方式。GB 38031规定的针刺触发试验按如下方式进行:采用直径为3~8 mm圆锥形针尖的刺针以0.1~10 mm/s的针刺速度触发热失控。针刺的位置和方向应可以触发热失控。热失控传播会在短时间内产生大量热量,要充分考虑电池系统的散热能力和阻隔材料的有效性,并及时提供预警信号。IEC 62619并未对触发方式和热失控判定作具体详细规定,但触发热失控方法要记录到测试报告中,同时IEC标准规定电池内短路试验可以替代热失控传播试验。

UL 9540A模块间热失控传播试验规定:触发足够数量(一个或多个)单体电池发生热失控,确保有足够能量引发模块的热失控火蔓延,观察热失控蔓延特性。试验采用与UL 9540A单体电池热失控测试相同触发方式。样品测试需在集烟罩下进行,收集模块热失控产生的气体,可采用傅里叶红外气体分析仪、火焰离子探测器和镍薄膜固态传感器分别确定气体组分、碳氢化合物和氢气的含量。氧耗法量热系统测量电池火焰燃烧的热释放速率和总燃烧放热量。测量试验前后模块的质量,确定模块热失控火蔓延的质量损失。试验期间,使用光电探测器和白光源测量热释放速率测量系统排气管道中的透光率,从而计算烟雾释放速率和总量。

2.3 储能系统单元和安装层级测试

UL 9540A储能系统单元层级的热失控火蔓延测试,主要是根据储能系统单元安装的9种应用场景,进行试验测试配置。试验测量的参数与模块级相同的有气体、烟雾释放速率和燃烧热释放速率,同时针对储能单元级的特性,增添了对流热释放速率、辐射热流和温度等数据。其中,温度测量区域主要有热失控触发单元、目标单元和墙体。此外,UL 9540A针对储能系统安装层级测试,目的在于评估喷淋系统和消防计划的有效性。测试可以从以下两方面开展:①喷淋系统灭火和防爆试验,②其他灭火系统和防爆试验,例如气体灭火剂、细水雾系统和组合系统。GB/T 36276中对于电池簇的测试则主要包括绝缘性能、耐压性能和初始充放电能量试验等,IEC 62619针对电池组系统测试主要为功能安全性测试,两者都在储能系统热失控火蔓延相关测试存在缺失。

如前所述,UL 9540A对储能系统不同层级热失控火蔓延的试验覆盖更全面、测试方法更具体和应用性更强,但缺乏定量的标准进行分析和评价,例如针对热失控气体的可燃性和毒性,可能存在爆燃和毒性等潜在危害,并没有很好地定量评估。此外,需要注意上述试验过程可能出现起火、爆炸、爆燃、可燃和有毒气体的释放等危险。因此,试验人员要接受相关培训,佩戴必要的安全防护装备,避免造成可能的伤害。

3 结语

本文归纳对比了国内外现有储能用锂离子电池安全性测试标准,详细分析了储能系统不同层级热失控测试评价技术。总体来说,国内储能用锂离子电池测试标准多引用便携设备或动力锂离子电池相关测试标准。储能系统火灾事故的频发,表明储能用锂离子电池安全测试标准仍存在较大缺失。此外,储能系统的规模大,设计复杂,需长期安全运行,因此要结合储能用锂离子电池特性,开发适用于储能用锂离子电池测试方法和标准。我国储能用锂离子安全性测试体系不够完善,总体有以下不足或建议。

(1)储能系统不同层级热失控火蔓延标准缺失,而热稳定性对电池安全性能至关重要,研究储能热失控火蔓延特性和消防抑制措施对储能系统安全具有重要意义。可借鉴UL 9540A的标准思路,采用分层级和多参数综合测试和评估储能系统热失控火蔓延。

(2)缺少可量化的检测标准和评价方法,目前的判断依据多为泄漏、爆炸和起火等,过于单一和宽泛,此外,热失控气体积聚的爆燃和毒性等潜在危害难以判定和量化。相关的毒性气体评价方法和模型,如FED和FEC等,以及动力锂离子的危害等级划分,均有参考和借鉴意义。

(3)现有储能电池检测标准均是对新电池进行测试,而老化电池的相关安全规定和检测要求却很少见,而部分储能系统火灾事故是在使用一段时间后发生。因此需要建立相关检测标准对使用过的电池进行测试和评估。

(4)大容量储能用锂离子电池危险性大、试验成本高,相关检测试验技术仍存在不足,而动力锂离子电池的检测设备、相关试验研究和检测标准相对成熟。开展储能用锂离子电池安全试验研究和设备研发,将有助于相关安全测试标准的制定和完善。

(5)完善的储能安全测试标准体系可保证储能系统安全运行,但需要对企业研发提出规范化产品质量的要求,同时第三方检测认证机构需要及时掌握新标准测试要求,持续提升专业技术和服务能力,方能在储能市场中脱颖而出。

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