280Ah磷酸铁锂电池热失控产气与火焰行为特性

引言

  锂离子电池由于其优越的性能被广泛应用于电化学储能等领域。然而，储能电站的火灾爆炸事故已经成为近几年来人们所关注的热点话题。导致储能电站发生事故的主要原因在于锂离子电池内部材料的不稳定性，进一步诱发电池发生热失控产生大量气体，甚至出现着火现象。虽然目前对锂离子电池的热失控产气和火焰特性的研究较多，但是研究对象集中在中小型容量的电池，对于储能用磷酸铁锂电池的热失控特性研究相对较少。因此，本研究旨在分析磷酸铁锂电池的热失控产气和火焰行为特征，阐明其热失控行为的危险性，为电化学储能电站应急预案编制以及消防设计提供理论依据。

研究内容

  中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室王青松课题组与安徽电科院以280Ah磷酸铁锂电池为研究对象，采用实验方法研究了储能用磷酸铁锂电池在过热情况下的热失控行为特征，分析了不同荷电状态的电池表面温度、质量变化等热失控参数，从产气行为和火焰行为两个方面得到了热失控的危险性，揭示了储能用磷酸铁锂电池热失控产气和火焰行为危险性的表现形式。

研究结果与讨论

  （1）量化了电池热失控过程的四个阶段。根据电池表面温度和温升速率的关系，将电池热失控过程分为四个阶段：加热阶段、热失控孕育阶段、热失控阶段以及冷却降温阶段，如图1所示。电池表面温度主要受荷电状态的影响，而产生的气体或者火焰辐射对电池本身温度影响较少。

图1 不同荷电状态下电池热失控过程的表面温升速率变化曲线

  （2）揭示产气和火焰行为的危险性表现形式

  通过分析电池上方不同高度的气体温度可知，随着高度的增加，气体温度逐渐下降，对于50%和100%SOC的电池产气最高温度分别为173.2℃、325.7℃，如图2所示；通过实时测量气体成分得到热失控过程中产生大量的二氧化碳以及烷烃类可燃气体，除此之外还存在大量的氢气和有毒有害气体，因此热失控产气行为的危险性主要表现在气体的毒性、窒息性以及爆燃特性。

  在储能电站中如出现电火花大量的可燃气体将会被点燃，由于火焰的存在将产生高温烟气以及热辐射作用。根据电池上方不同高度的火焰温度可知，最高温度能达到750℃-900℃，如图3所示，同时大量的电解液和可燃气体燃烧释放出大量的热量，对周围物品产生较强的热辐射作用，因此热失控火焰行为的危险性主要表现在高温火焰以及强烈的热辐射。

图2 热失控过程的产气温度、产气组分以及占比情况（除H2外）

图3 热失控过程的火焰温度以及热热失控速率变化曲线

  （3）大容量磷酸铁锂电池存在内部热失控蔓延扩散现象。电池热失控过程出现多个质量损失速率峰值，如图4所示。拆解热失控后的电池发现内部存在四个卷芯，四个卷芯依次发生热失控构成了整个电池热失控的全过程，这与多个质量损失速率峰值相对应，如图5所示，因此大容量磷酸铁锂电池的热失控过程存在明显的内部热失控扩散现象。

图4 100%SOC磷酸铁锂电池热失控过程质量损失变化曲线

图5. 磷酸铁锂电池热失控内部蔓延过程示意图