西安交通大学 孟国栋等:电化学储能电站的安全监测与消防技术综述

科技   2024-11-21 17:09   北京  



本期精选

2024年第7


锂离子电池储能电站的热失控状态检测与安全防控技术研究进展

孟国栋,李雨珮,唐佳,顾颐,金阳,陈欣,成永红

DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.20232357

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研究背景




磷酸铁锂(LiFePO4)电池具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长等优点,在大规模储能领域中应用广泛。在过充条件下,锂枝晶在石墨负极上持续生长可能使电池聚合物隔膜穿孔,导致正负极直接接触发生短路,造成电池的热失控,是锂离子电池储能电站安全可靠运行所面临的主要挑战之一。因此,深入了解磷酸铁锂储能电池的热失控发展规律,开发针对电池热失控的先进监(检)测及抑制技术对于锂离子电池储能电站的大规模工程应用具有重要意义。






重点内容




本文综述了锂离子储能电池热失控的诱因、电池内部反应过程及外部特征参量的变化规律,重点总结了当前主要的电池热失控状态检测技术、智能诊断算法及储能电站安全防控技术,最后对储能电站热失控状态检测及安全防控技术进行了总结和展望。


锂离子电池热失控的根本原因为包括SEI膜(Solid Electrolyte Interface,固体电解质薄膜)的分解反应、负极与电解液的反应、正极与电解液的反应以及电解液的分解反应在内的链式反应产生的热-温循环,产热与产气会引起内部温度升高和压力增大,最后导致热失控的发生。在储能电站中, 最常见的热失控触发因素是以加热为代表的热滥用和以过充为代表的电滥用。电池热失控过程中,温度、电压等参量均会出现明显变化,同时由于内部化学反应,电池会释放特征气体。目前主要基于此类信号出现的临界条件实现电池的状态检测和热失控预警。


图1 锂离子电池热失控过程示意图


目前储能电站应用的热失控状态检测技术主要包括BMS(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM,电池管理系统)、气体采样分析器、温度传感器以及烟雾感应器等,检测的特征参量主要是温度、电流、电压以及氢气、一氧化碳等特征气体,对热失控的检测均由自防爆阀打开后的可见烟阶段开始,无法准确检测电池热失控的早期阶段。在储能电站运行和维护过程中,仍然存在着较高的安全风险,需要进一步的研究以优化储能电站热失控预警方案。为了实现有效、准确的状态监(检)测和早期预警,各类传感器检测技术、电化学阻抗谱、超声检测技术得到快速的发展。


表1 不同传感技术优缺点


由于锂离子电池模组之间排列紧密,一旦单体电池发生的热失控得不到有效遏制,火灾极易传递相邻电池,使得相邻电池发生热失控,最后导致整个储能电站发生起火甚至爆炸。当前,锂离子电池储能电站的安全防控主要分为集中式防控、热蔓延抑制、分布式防控三个方面。采用单一的防控方式或灭火剂往往不足以应对储能电站的火灾。为了达到最佳灭火效果,常需要采用多种防控方式、灭火剂相结合的方式以建立立体式多方位消防系统,实现联合防控。

图2 气体-细水雾联合灭火系统消防控制方案(集中式防控)


图3 细水雾灭火剂可靠性验证试验平台

(分布式防控:以模组为灭火单元)


图4 自触发电池热失控抑制装置布置方式示意图

(分布式防控:以电池单体为灭火单元)







后续研究内容




1)电池发生热失控的根本原因在于内部链式反应,因此开发本质安全的电池是解决电池热失控问题的主要途径。

2) 需要开展电池内部物理化学过程的原位研究,建立电池热失控过程中内部物理化学反应过程与外部特征参量的对应关系,更加深刻理解电池热失控的物理本质,进而提出更为准确的电池热失控检测特征参量。

3)检测电池热失控的外部特征参量只能获得有限且延迟的信息,将传感器植入电池内部以实现电池热失控的检测与预警成为当前研究热点。然而,由于电池热失控时内部温度高且物理化学过程复杂,如何在不干扰电池正常工作的前提下适应复杂的内部环境并实现稳定的特征参量检测,是后续研究的重点内容。

4)由于储能电站电池众多且排列紧密,单一的灭火方式不足以完全制止储能电站的火灾,采用多种灭火方式实现储能电站的联合灭火,已成为目前储能电站灭火方案的发展趋势。



引文信息:

孟国栋 , 李雨珮 , 唐佳 , 等. 锂离子电池储能电站的热失控状态检测与安全防控技术研究进展[J]. 高电压技术. 2024, 50(7): 3105-3127 

作者及团队介绍

孟国栋,西安交通大学电气工程学院副教授,博士生导师。现为中国电工技术学会电工测试专委会委员,中国电工技术学会青年工作委员会委员,IEEE PES风电光伏技术委员会海洋可再生能源技术分委会理事,《电气工程学报》编委会青年委员。主持承担了国家自然科学基金面上项目、青年项目(优秀结题)、中国博士后基金、国家重点实验室基金以及企业科技项目等共二十余项国家级、省部级科研项目。发表学术论文70篇,包括第一作者/通讯作者SCI论文30篇,中文译著1部、英文专著1章。主要研究方向为微纳尺度绝缘与放电等离子体、电力设备状态监测及故障诊断、二维材料与器件应用研究。



成永红,西安交通大学电气工程学院教授,博士生导师,西安交通大学领军学者,新型储能材料与集成应用创新团队带头人,国家级人才计划获得者。中国电工技术学会电工测试专业委员会委员,《电工技术学报》、《电气工程学报》编委。主持多项国家自然基金项目。获得国家技术发明三等奖1项、陕西省科技进步一等奖1项、教育部自然科学一等奖1项、教育部自然科学二等奖1项,获准发明专利30余项、软件著作权20余项,出版著作3本,参编电气工程、电工材料领域行业手册3部,发表SCI论文100余篇、ESI高被引论文7篇。主要研究方向为:极端环境下电介质材料损伤破坏和性能提高、电力装备故障检测与寿命评估、电力物联网、储能与能量转换纳米材料、纳米功能薄膜材料、新型储氢技术及应用等。


西安交通大学新型储能与能量转换纳米材料研究中心(http://cne.xjtu.edu.cn/)是依托西安交通大学电气工程学院/电工材料电气绝缘全国重点实验室建设的一个面向未来能源和电力可持续发展的研究机构。围绕新型储能和能量转换纳米材料研究方向,开展以材料微观/介观结构-化学特性-纳米制备技术为核心的基础研究工作,并以新能源转换与储能系统示范工程的研究和实施带动电气工程学科的发展建设,实现在该领域的理论创新与研究方法的创新。



责编:程子丰



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