1、第 12 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.12 No.3Mar.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology储能用大容量磷酸铁锂电池热失控行为及燃爆传播特性程志翔1，曹伟2，户波2，程云芳2，李鑫3，姜丽华1，金凯强1，王青松1（1中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230026；2阳光电源股份有限公司，安徽 合肥 230088；3杰斯康软件（上海）有限公司，上海 200090）摘要：随着电化学储能应用规模的持续扩大，使用锂离子电池的电化学储能电站火灾燃爆事故时有发生，引发社会的广泛关注。锂离子电池的安全性是影响储能
2、电站安全的重要因素，分析储能用锂离子电池的热失控行为及燃爆特性是有效防控储能电站火灾事故的关键。本工作选用储能用280 Ah磷酸铁锂电池为研究对象，基于锂离子电池热失控及产气分析测试平台，采用加热方式触发电池热失控，分析其产热、质量损失以及产气特性。进一步采用傅里叶变换红外光谱仪以及氢气传感器测量热失控过程产气成分，通过卷积分析得到气体组分占比，其中氢气和二氧化碳分别占36.8%和44.2%。通过FLACS软件建立电池储能液冷舱11模型，分析了不同条件下磷酸铁锂电池产气发生燃爆的动压及火焰危害范围。研究发现，在电池储能舱内发生的燃爆行为受到舱室内部泄压开启压力和周边障碍物的影响，而其中当舱门开
3、启压力从10 kPa增长到100 kPa时，爆炸超压峰值增长为2.15倍。该研究可为储能电站锂离子电池火灾事故预警、集装箱结构和防爆设计提供参考。关键词：电化学储能；磷酸铁锂电池；热失控；储能舱燃爆doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0690中图分类号：TM 911 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）03-923-11Thermal runaway and explosion propagation characteristics of large lithium iron phosphate battery for energy storage
4、 stationCHENG Zhixiang1,CAO Wei2,HU Bo2,CHENG Yunfang2,LI Xin3,JIANG Lihua1,JIN Kaiqiang1,WANG Qingsong1(1State Key Laboratory of Fire Science,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,Anhui,China;2Sungrow Power Supply Co.,Ltd.,Hefei 230088,Anhui,China;3Gescon Software(Shanghai)Co.,
5、Ltd.,Shanghai 200090,China)Abstract:With the vigorous development of the energy storage industry,the application of electrochemical energy storage continues to expand,and the most typical core is the lithium-ion battery.However,recently,fire and explosion accidents have occurred frequently in electr
6、ochemical energy storage power stations,which is a widespread concern in society.The safety of lithium-ion batteries affects the safety of energy storage power stations.Analyzing the thermal runaway behavior and explosion characteristics of lithium-ion batteries for energy storage is the key to effe
7、ctively prevent and control fire accidents in energy storage power stations.The research object of this study is the commonly used 280 Ah lithium iron phosphate battery in the energy storage industry.Based on the lithium-ion battery thermal runaway and gas production analysis test platforms,the ther
8、mal runaway of the battery was triggered by 储能测试与评价收稿日期：2022-11-22；修改稿日期：2022-12-11。基金项目：国家重点研发计划课题（2021YFB2402001），中国博士后科学基金特别资助项目（2022T150615，2022T150622），中科院青促会项目（Y201768）。第一作者：程志翔（1999），男，本科，研究方向为锂电池热失控及燃爆风险性分析，E-mail：；通讯作者：王青松，研究员，研究方向为锂电池安全，E-mail：。2023 年第 12 卷储能科学与技术heating,and its heat produ
9、ction,mass loss,and gas production were analyzed.Fourier-transform infrared spectroscopy(FTIR),and a hydrogen sensor were further used to measure the gas production component during the thermal runaway.The proportion of H2 and CO obtained by convolution analysis accounted for 36.8%and 44.2%,respecti
10、vely.The 11 model of the battery energy storage liquid-cooled tank was established by FLACS software,and the dynamic pressure and flame hazard of gas production from lithium iron phosphate batteries under different conditions were analyzed.The study found that the explosion behavior in the battery e
11、nergy storage compartment was affected by the position of the pressure relief plate inside the compartment,the opening pressure,and the surrounding obstacles.When the opening pressure of the cabin door increases from 10 to 100 kPa,the peak explosion overpressure increases by 2.15 times.This research
12、 can provide a reference for the early warning of lithium-ion battery fire accidents,container structure,and explosion-proof design of energy storage power stations.Keywords:electrochemical energy storage;lithium iron phosphate battery;thermal runaway;explosion of energy storage cabin为应对全球气候变化，全球170
13、多个国家签订了巴黎协定。我国也相应提出了2030年前实现“碳达峰”、2060年前实现“碳中和”的发展目标。提高可再生能源在能源结构中的占比是保护环境，减少污染的重要措施。风能、太阳能等清洁能源受自然环境的影响，具有非连续及不可移动的弊端，无法实现供电系统的持续供应，其功率输出的波动性和随机性严重威胁了电力系统的稳定性和安全性。储能系统具有削峰填谷、调峰调频的优越性，实现谷价时段充电，峰价时段放电；在大电网断电时，能够孤岛运行，确保对用户不间断供电1。与其他储能技术相比，电化学储能具有能量密度较高、响应速度快、环境污染小等优势。与三元镍钴锰酸锂等电池体系相比，磷酸铁锂电池具有较好的安全性，更加适
14、用于大规模电化学储能电站2-3。然而，热失控是锂离子电池不容忽视的安全挑战，对于大规模储能的应用尤为重要4。例如，2021年4月，北京某储能项目发生火灾燃爆事故，造成3人死亡，引发业内广泛关注。与三元锂离子电池明显不同，磷酸铁锂电池热失控不产生火焰，使得其内部反应产生的大量气体将通过安全阀和外界大气环境交互，存在燃爆风险5。黄峥等6通过对86 Ah的磷酸铁锂电池进行单面加热热失控实验，测量了热失控过程中的温度变化、质量损失并通过傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和氢气探头探测了产气变化，发现了氢气和二氧化碳是磷酸铁锂电池热失控产气的主要成分，体积占比分别为 39.5%和 30.15%。结合 C8
15、0 微量量热仪，分析了可能的反应，并认为其来源分别为黏结剂和锂离子的反应以及SEI膜和活性物质的反应；而在电池模组层面，王俊等7利用FDS模拟了模组箱内部电池热失控后的产气扩散行为，并通过在箱内两侧布置探点阵列，来获得产气的Euler描述。牛志远等8通过FLACS软件模拟计算了气化电解液被点燃后的燃烧率、超温和高压，诠释了其爆炸过程并通过更改不同泄爆条件来分析相关参数的变化。总体而言，目前针对磷酸铁锂电池热失控机制和燃爆的研究主要集中在18650圆柱电池，或者是小型的方形电池9-11，对于高容量储能用磷酸铁锂电池的热失控研究还较为匮乏，对于实际电池储能集装箱的产气燃爆危害尚缺乏清晰认识。从已发
16、生的储能电池火灾燃爆事故可以看出，电池模组箱内部热管理系统失效、电池短路、电池内部缺陷等一系列原因最终都将导致电池过热，进而引发热失控，由于模组箱的密闭结构，导致电池产气在模组箱中积聚，直到达到模组箱中安全阀的临界开启压力，随后电池产气将弥漫至整个电池舱室，构成燃爆风险。基于此，本研究借助全尺寸锂离子电池热失控实验平台对储能大容量磷酸铁锂电池热失控过程进行研究，采用加热方式触发电池热失控，分析其热失控产气及产热过程12。结合实际应用的储能电池液冷集装箱，采用FLACS软件，924第 3 期程志翔等：储能用大容量磷酸铁锂电池热失控行为及燃爆传播特性建立11非步入式液冷集装箱模型，并将热失控实验所测产气组分带入，设置不同点火位置和有无泄压板等条件，在冲击波方向构建探测阵列，研究爆炸对于水平周边的影响，从而为储能电站锂离子电池火灾事故预警、集装箱结构和防爆设计提供参考。1 实验及模拟设置1.1实验样品及布置实验样品为储能用280 Ah 磷酸铁锂电池单体，相关电池参数如表1所示。实验过程中，将电池、加热板和5 mm的隔热棉捆绑后用夹具固定放置于天平上，其中隔热棉可以减少装置散热并且柔性挤压可以
