中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
作者：胡振愷 1 圖片雷博 2李勇琦 1史尤杰 2雷旗開 1何智鵬 2
單位：1. 南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司；2. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司
引用： 胡振愷,雷博,李勇琦等.儲(chǔ)能用鋰離子電池安全性測(cè)試與評(píng)估方法比較[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2022,11(05):1650-1656.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0510
摘 要 作為支撐智能電網(wǎng)和能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，儲(chǔ)能受到了全球的廣泛關(guān)注。鋰離子電池因能量密度高、壽命長和無污染等性能，成為大規(guī)模儲(chǔ)能的首選儲(chǔ)存載體之一，鋰離子電池儲(chǔ)能規(guī)模也在迅速增長。但是近年來，鋰離子電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)事故頻發(fā)，成為制約其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素。針對(duì)這一問題，本文歸納對(duì)比了國內(nèi)外常用的儲(chǔ)能用鋰離子電池安全測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，如IEC 62619、IEC 63056、UL 1973和UL 9540A等國外標(biāo)準(zhǔn)，以及GB/T 36276、T/CNESA 1004等相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的特性，著重從單體、模組、單元與安裝等儲(chǔ)能系統(tǒng)四個(gè)不同層級(jí)，將熱失控測(cè)試方法進(jìn)行了探討分析，指出了國內(nèi)現(xiàn)行測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的不足，并提出合理化建議，旨在維護(hù)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全底線。
關(guān)鍵詞 儲(chǔ)能；鋰離子電池；安全性能；測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)
近年來，能源緊缺和環(huán)境污染等問題日益凸顯。大力推進(jìn)可再生能源發(fā)展，已成為轉(zhuǎn)變能源結(jié)構(gòu)和改善環(huán)境的重要選擇，也是實(shí)現(xiàn)我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必由之路。但是風(fēng)電和光伏發(fā)電的間歇隨機(jī)性，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，不利于其安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)制約了其自身的大規(guī)模應(yīng)用。發(fā)展高效、安全的儲(chǔ)能技術(shù)，是解決上述問題的最佳方案，是促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型變革的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前，國家高度重視發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，儲(chǔ)能技術(shù)作為關(guān)鍵支柱產(chǎn)業(yè)也得以蓬勃發(fā)展。鋰離子電池因能量密度高、壽命長和無污染等性能，成為大規(guī)模電力儲(chǔ)能的首選儲(chǔ)存載體之一。截至2020年底，國內(nèi)已建的電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目規(guī)模為3269.2 MW，其中鋰離子電池儲(chǔ)能占比88.8%，可達(dá)到2902.4 MW。
鋰離子電池包含高能量密度的正負(fù)極、易燃的隔膜和電解液等材料，在不合理的使用情形下，易引發(fā)電池?zé)崾Э兀姵貎?nèi)部本體反應(yīng)和外部火焰燃燒在短時(shí)間產(chǎn)生大量熱量，伴隨冒煙、起火和爆炸等現(xiàn)象。儲(chǔ)能電池系統(tǒng)往往是由成百上千節(jié)的單體電池按特定要求經(jīng)過電氣連接組成，容量可達(dá)到兆瓦時(shí)或者吉瓦時(shí)，一旦某節(jié)電池發(fā)生熱失控火災(zāi)，其內(nèi)部反應(yīng)和噴出物質(zhì)燃燒釋放的熱量，如擴(kuò)散到相鄰的電池和可燃材料，將造成整個(gè)模組甚至儲(chǔ)能電站的起火爆炸。近10年來，全球的鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)共發(fā)生了32起主要火災(zāi)爆炸事故，其中我國發(fā)生3起儲(chǔ)能系統(tǒng)起火事件，如2021年4月，北京儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故等?？梢钥闯觯瑑?chǔ)能用鋰離子電池相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)有待進(jìn)一步完善。鋰離子電池安全是一個(gè)綜合性問題，涉及電池材料、應(yīng)用場(chǎng)景和濫用方式等諸多因素，但先進(jìn)完善的安全性、可靠性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，可以評(píng)估儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的安全性和可能發(fā)生的問題，從而確保儲(chǔ)能電站的安全運(yùn)行。
綜上所述，儲(chǔ)能用鋰離子電池作為儲(chǔ)能電站的核心部件之一，其安全性是儲(chǔ)能電站穩(wěn)定運(yùn)行的重中之重，因此研究高效合理的儲(chǔ)能用鋰離子電池安全性測(cè)試和評(píng)估方法也顯得尤為迫切?；诖耍疚耐ㄟ^對(duì)主要的儲(chǔ)能鋰離子電池安全測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比研究，系統(tǒng)地分析和總結(jié)各具體熱失控試驗(yàn)方法，指出國內(nèi)現(xiàn)行安全測(cè)試的不足之處，并提出合理化建議，以期為建立更加完善和科學(xué)的定量實(shí)驗(yàn)方法提供參考和借鑒。
1 儲(chǔ)能用鋰離子電池安全性測(cè)試評(píng)價(jià)體系
國外相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)主要是國際電工委員會(huì)(IEC)和美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(UL)。國內(nèi)是以儲(chǔ)能國標(biāo)為主導(dǎo)，此外有由中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)(CEC)、中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟(CNESA)等社團(tuán)組織牽頭制定部分行業(yè)(團(tuán)體)標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)外常用的儲(chǔ)能用鋰電池安全測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，各標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍和側(cè)重點(diǎn)不同，測(cè)試的項(xiàng)目和方法也存在差異。
表1 國內(nèi)外常用儲(chǔ)能鋰離子電池安全性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)
1.1 國際標(biāo)準(zhǔn)
國際電工委員會(huì)制定和頒布的IEC儲(chǔ)能電池安全測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是國際標(biāo)準(zhǔn)，主要包括IEC 62619和IEC 63056，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容全面，層次清晰，對(duì)各國標(biāo)準(zhǔn)的制定具有較強(qiáng)的參考價(jià)值，如韓國的KC 62619和日本的(JISC 8715-2)系列標(biāo)準(zhǔn)均是依據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)修訂編制。
IEC 62619規(guī)定了鋰離子電池在工業(yè)設(shè)備用途方面的最基本安全要求，適用范圍較廣，包括固定式和電動(dòng)式等儲(chǔ)能用鋰離子電池，但不適用于道路車輛和便攜設(shè)備用鋰離子電池。標(biāo)準(zhǔn)安全要求由功能安全和產(chǎn)品安全兩部分組成，其中功能安全針對(duì)電池管理系統(tǒng)的要求，測(cè)試其過熱控制、過充電電壓控制和電流控制。而產(chǎn)品安全是針對(duì)單體、模組和電池組系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)在合理的濫用條件下對(duì)安全性的測(cè)試和評(píng)估，主要測(cè)試內(nèi)容有熱濫用、撞擊和跌落、強(qiáng)迫放電、過充電以及內(nèi)短路和熱失控?cái)U(kuò)散試驗(yàn)。IEC 62619標(biāo)準(zhǔn)僅包括安全性能測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目相對(duì)較少，但有深度，目前是電工產(chǎn)品安全檢測(cè)和認(rèn)證(CB)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。
IEC 63056是針對(duì)直流電壓1500 V以下的儲(chǔ)能用鋰離子電池及電池組的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，是附加安全要求，同時(shí)IEC 62619規(guī)定了基本安全要求。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試項(xiàng)目涵蓋了耐熱性、運(yùn)輸和安裝過程中的電氣絕緣和短路保護(hù)、反向連接保護(hù)、過放電電壓控制以及跌落試驗(yàn)。
1.2 美國標(biāo)準(zhǔn)
美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(UL)是世界領(lǐng)先的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)組織。UL儲(chǔ)能電池相關(guān)的安全測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要有UL 1973、UL 9540和UL 9540A，其考慮全面且嚴(yán)謹(jǐn)，在北美普遍使用，具有較大的影響力和代表性。目前，UL 1973、UL 9540和UL 95040A是美國和加拿大的雙重國家標(biāo)準(zhǔn)。
UL 1973是針對(duì)儲(chǔ)能用電池、電動(dòng)軌道和鐵路應(yīng)用的輔助電池，覆蓋了各類鋰電池、液流電池以及高溫鈉電池等電池種類，涵蓋了對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的產(chǎn)品、結(jié)構(gòu)和功能安全等要求。UL 1973測(cè)試內(nèi)容包括環(huán)境試驗(yàn)、機(jī)械試驗(yàn)和電氣試驗(yàn)以及電芯失效試驗(yàn)等。與IEC 62619和GB/T 36276相比，UL 1973標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估和測(cè)試的濫用情況更為全面。
UL 9540是全球首個(gè)固定儲(chǔ)能的安全標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了儲(chǔ)熱、電化學(xué)和機(jī)械儲(chǔ)能三種儲(chǔ)能類型。作為系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，UL 9540規(guī)定和評(píng)估系統(tǒng)中組件的安全性以及兼容性，如功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等，從而為儲(chǔ)能消防安全和建筑提供具體的規(guī)范指導(dǎo)。其中UL 9540A是用于儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控火蔓延的測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)，采用了從電芯、模塊、單元到安裝級(jí)別的層級(jí)遞增的測(cè)試方式，測(cè)試的結(jié)果定性和定量給出了儲(chǔ)能電池的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，為儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)和滅火器選型提供參考和依據(jù)。國際防火規(guī)范(IFC)和美國消防協(xié)會(huì)NFPA 855均要求儲(chǔ)能電池和儲(chǔ)能系統(tǒng)必須分別有UL 1973和UL 9540的認(rèn)證。UL安全測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)具有應(yīng)用性強(qiáng)和覆蓋面廣的特點(diǎn)。
1.3 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)
與國外標(biāo)準(zhǔn)不同，國標(biāo)并未將儲(chǔ)能電池的安全標(biāo)準(zhǔn)分離出來，而是作為相關(guān)安全規(guī)范中的一部分進(jìn)行規(guī)定。涉及安全測(cè)試方法的國標(biāo)主要是GB/T 36276。作為我國首個(gè)儲(chǔ)能鋰離子電池國標(biāo)，GB/T 36276為儲(chǔ)能電池的測(cè)試認(rèn)證提供了依據(jù)，也向儲(chǔ)能行業(yè)提出規(guī)范化安全要求，對(duì)國內(nèi)儲(chǔ)能的健康發(fā)展起到引領(lǐng)作用。GB/T 36276針對(duì)性更強(qiáng)，只規(guī)定了儲(chǔ)能鋰離子電池相關(guān)測(cè)試和安全要求，測(cè)試項(xiàng)目更多地和儲(chǔ)能設(shè)備的使用環(huán)境相結(jié)合，覆蓋面廣，主要包括安全性能和電性能測(cè)試。安全性能的部分試驗(yàn)項(xiàng)目與IEC 62619相同，此外，獨(dú)有的測(cè)試項(xiàng)目主要包括鹽霧和高溫高濕、耐壓和絕緣性能試驗(yàn)等。GB 38031《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》是首個(gè)強(qiáng)制性動(dòng)力電池國標(biāo)，代替了原有的GB/T 31485和GB/T 31467.3，備受關(guān)注。GB/T 36276在制定時(shí)多引用動(dòng)力鋰離子電池相關(guān)測(cè)試內(nèi)容，此外，標(biāo)準(zhǔn)中的熱穩(wěn)定性測(cè)試，即電池系統(tǒng)熱擴(kuò)散和外部火燒等，對(duì)儲(chǔ)能電池系統(tǒng)測(cè)試具有很強(qiáng)的參考價(jià)值。
國內(nèi)行業(yè)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)包括NB/T 42091、T/CEC 172和T/CNESA 1000以及T/CNESA 1004。其中，NB/T 42091制定較早，為2016年，規(guī)定了儲(chǔ)能用鋰離子電池技術(shù)要求和試驗(yàn)項(xiàng)目，其中安全測(cè)試項(xiàng)目包括機(jī)械測(cè)試和電氣測(cè)試。T/CEC 172主要參照國標(biāo)，單獨(dú)將試驗(yàn)方法和安全要求分離成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)個(gè)別試驗(yàn)方法做出修改調(diào)整。T/CNESA 1000規(guī)定了儲(chǔ)能系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中的試驗(yàn)測(cè)試是引用的GB/T 36276和IEC 62619。T/CNESA 1004則創(chuàng)新性地提出從熱失控發(fā)生可能性和火災(zāi)嚴(yán)重性兩方面對(duì)鋰離子電池火災(zāi)危險(xiǎn)性進(jìn)行等級(jí)劃分。
綜上所述，國內(nèi)外主要的鋰離子電池安全標(biāo)準(zhǔn)在測(cè)試項(xiàng)目和適用范圍上有所不同，但都主要規(guī)定從電芯、模組到系統(tǒng)進(jìn)行分層級(jí)測(cè)試，此外，除常規(guī)安全性能和電性能測(cè)試外，依據(jù)儲(chǔ)能產(chǎn)品的特性增設(shè)了熱失控測(cè)試項(xiàng)目，這表明，儲(chǔ)能用鋰離子電池安全標(biāo)準(zhǔn)體系正在逐漸完善。
2 儲(chǔ)能用鋰離子熱失控測(cè)試評(píng)價(jià)研究
在電濫用、熱濫用和機(jī)械濫用條件下，電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生多個(gè)復(fù)雜的化學(xué)和物理反應(yīng)，熱失控所釋放出的大量熱量和氣體引發(fā)多米諾效應(yīng)，使儲(chǔ)能系統(tǒng)中其他電池也發(fā)生熱失控，形成儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱失控火蔓延，造成無法估量的損失。開展熱失控行為和火蔓延特性研究，既可以及早檢驗(yàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)電池和設(shè)計(jì)是否合格，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，又可以掌握熱失控火蔓延特性，從而為儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)和救援提供技術(shù)指導(dǎo)和理論支持。標(biāo)準(zhǔn)中每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目都是模擬在實(shí)際運(yùn)行中可能發(fā)生的電池濫用情形。因此，本文重點(diǎn)分析了熱濫用條件下的電池?zé)崾Э販y(cè)試方法，探討了在儲(chǔ)能系統(tǒng)不同層級(jí)熱失控傳播測(cè)試和評(píng)價(jià)方法。
2.1 儲(chǔ)能用電池單體熱濫用和熱失控測(cè)評(píng)
2.1.1 熱箱試驗(yàn)
當(dāng)前儲(chǔ)能用鋰離子電池安全標(biāo)準(zhǔn)中的熱濫用測(cè)試主要以熱箱試驗(yàn)為主，且不同標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法相同，但具體參數(shù)設(shè)置有所差別。
IEC 62619規(guī)定的單體電池?zé)釣E用試驗(yàn)方法如下：將滿電電芯放置在熱箱中，熱箱以(5±2) ℃/min速率升至(85±5) ℃，并保持3 h后停止加熱。此過程電芯不起火爆炸則為合格。GB/T 36276參考GB 38031，將高溫?cái)R置溫度設(shè)定為(130±2) ℃，但高溫?cái)R置時(shí)間降低為30 min，隨后繼續(xù)觀察1 h。UL 1973的熱濫用試驗(yàn)則采用便攜式設(shè)備的鋰離子電池安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)UL 1642，高溫?cái)R置時(shí)間僅為10 min。筆者認(rèn)為IEC 62619的參數(shù)設(shè)置更為合理，考察了儲(chǔ)能用鋰離子電池長時(shí)間高溫?cái)R置的安全性能，而不是便攜設(shè)備的高溫下短期擱置安全性能，且高溫?cái)R置溫度要更符合實(shí)際的儲(chǔ)能應(yīng)用。
T/CNESA 1004采用熱箱試驗(yàn)評(píng)估熱失控發(fā)生的可能性。熱箱的高溫?cái)R置溫度依次設(shè)定為140 ℃、160 ℃和180 ℃，并在每個(gè)溫度臺(tái)階保持30 min，如檢測(cè)到電池發(fā)生熱失控，則記錄熱失控臨界環(huán)境溫度T0∶上一擱置溫度<T0<本次擱置溫度之間，否則為T0>180 ℃。熱失控判據(jù)：電池起火爆炸或溫升速率>1 ℃/s(持續(xù)3 s以上)且電池溫度>200 ℃。熱箱試驗(yàn)開展3次，取3次實(shí)驗(yàn)的最小值T0作火災(zāi)危險(xiǎn)性分級(jí)的試驗(yàn)結(jié)果。熱箱的三個(gè)高溫?cái)R置溫度設(shè)置依據(jù)分別為PE隔膜熔點(diǎn)(135 ℃)，PP隔膜熔點(diǎn)(165 ℃)和正極與電解液反應(yīng)溫度(180～200 ℃)。
2.1.2 熱失控燃燒試驗(yàn)
因儲(chǔ)能用鋰離子電池容量和尺寸較大，熱失控燃燒試驗(yàn)可在大尺度鋰離子電池火災(zāi)危險(xiǎn)性試驗(yàn)平臺(tái)和防爆罐中開展，結(jié)合熱釋放速率測(cè)量系統(tǒng)、傅里葉紅外氣體分析儀和氣相色譜儀等儀器對(duì)單體電池燃燒的熱釋放速率，產(chǎn)生煙氣和氣體釋放進(jìn)行測(cè)量和分析。
GB/T 36276規(guī)定的熱失控試驗(yàn)采用平面狀或棒狀加熱器，與單體電池表面直接接觸，并在其表面覆蓋陶瓷或絕緣層等，完成兩者的裝配。加熱器的功率應(yīng)符合表2的規(guī)定，溫度傳感器安裝在遠(yuǎn)離加熱器的電池一側(cè)。以最大加熱功率對(duì)電池加熱，如檢測(cè)到熱失控或電池溫度為300 ℃，則停止試驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。熱失控判據(jù)：滿足①&③或②&③或④，其中：①電池產(chǎn)生電壓降；②電池達(dá)到規(guī)定的保護(hù)溫度；③電池溫度升溫速率≥1 ℃/s；④在試驗(yàn)過程或者試驗(yàn)結(jié)束的1 h內(nèi)，電池有起火、爆炸發(fā)生。
表2 GB/T 36276熱失控試驗(yàn)加熱功率選擇
T/CNESA 1004采用燃燒試驗(yàn)評(píng)估鋰離子電池火災(zāi)的嚴(yán)重度。在鋰離子電池火災(zāi)危險(xiǎn)性試驗(yàn)平臺(tái)開展試驗(yàn)，圓柱形電池和方形電池分別使用加熱棒和加熱板進(jìn)行加熱。加熱裝置的功率和加熱方式應(yīng)按表3選擇。溫度傳感器和其他試驗(yàn)設(shè)置與GB/T 36276中的一致。對(duì)于不自燃的電池，采用點(diǎn)火器引燃。標(biāo)準(zhǔn)化熱釋放速率峰值圖片由熱釋放速率除以表面積標(biāo)準(zhǔn)化得到。燃燒試驗(yàn)共進(jìn)行3次，取3次實(shí)驗(yàn)的最大值圖片作火災(zāi)危險(xiǎn)性分級(jí)的試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)熱箱試驗(yàn)中的T0和燃燒試驗(yàn)中的圖片綜合確定鋰離子電池火災(zāi)危險(xiǎn)性的等級(jí)，詳情可參見圖1。
表3 T/CNESA 1004燃燒試驗(yàn)加熱功率圖片
圖1 鋰離子電池火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)劃分圖
UL 1973電芯燃燒試驗(yàn)規(guī)定，將電池樣品放置在一個(gè)測(cè)試籠中的鐵網(wǎng)上。采用藍(lán)色火焰在鐵網(wǎng)下方對(duì)電池進(jìn)行燃燒，直至電池爆炸或燃燒完全。測(cè)試籠的整體尺寸可以增加，以容納大型電池。燃燒結(jié)束后，局部或整個(gè)電池(含碎屑)均未穿出測(cè)試籠。而GB 38031外部火燒試驗(yàn)是以電池包或電池系統(tǒng)為對(duì)象，按規(guī)定將其暴露在火焰中一定時(shí)間?；鹪词且嫉钠?。外部火燒試驗(yàn)共分為預(yù)熱、直接燃燒、間接燃燒和離開火源四個(gè)階段。為模擬動(dòng)力汽車的應(yīng)用場(chǎng)景，可以對(duì)起保護(hù)作用的車身結(jié)構(gòu)開展火燒試驗(yàn)。
UL 9540A則可在大型防爆罐中開展熱失控試驗(yàn)。試驗(yàn)采用薄膜加熱器，覆蓋在電池表面，明確對(duì)電池的加熱速率為4～7 ℃/min。如果加熱無法引發(fā)熱失控，可采用電或機(jī)械濫用等其他觸發(fā)方式，但至少開展四次重復(fù)試驗(yàn)，以確保結(jié)果的一致性和重復(fù)性，記錄電池安全閥打開溫度和熱失控溫度。試驗(yàn)采集防爆罐中電池?zé)崾Э貧怏w，使用氣相色譜儀或等效氣體分析技術(shù)確定氣體總量、氣體成分及占比，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算氣體的燃燒速率、最大爆炸壓力、室溫和排氣溫度下的燃燒下限。
2.2 儲(chǔ)能用電池模塊熱失控傳播測(cè)試評(píng)價(jià)
對(duì)于儲(chǔ)能電池模組或儲(chǔ)能系統(tǒng)單元而言，關(guān)于熱失控傳播的測(cè)試評(píng)價(jià)也同樣重要。其主要在考察儲(chǔ)能電池模組內(nèi)部電芯間的相互影響以及系統(tǒng)的整體熱控制能力，關(guān)鍵在于熱失控觸發(fā)方式和對(duì)象的選擇以及熱失控判定依據(jù)等，研究?jī)?chǔ)能電池?zé)崾Э貍鞑ヌ匦院蜋C(jī)理，從而為儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
GB/T 36276的熱失控傳播試驗(yàn)方法規(guī)定如下：熱失控觸發(fā)對(duì)象應(yīng)為可實(shí)現(xiàn)熱失控的單體電池，且其釋放的熱量極易傳遞至相鄰電池?？刹捎眠^充和加熱作為熱失控觸發(fā)方式，其中加熱觸發(fā)與單體電池的熱失控試驗(yàn)布置相同。過充觸發(fā)規(guī)定只對(duì)滿電的觸發(fā)對(duì)象以恒流充電至熱失控或電池的荷電狀態(tài)為200%，模組中其他電池不進(jìn)行過充，充電電流最小為1/3 C，最大不超過電池持續(xù)工作的最大許用電流。為判斷電池模組是否發(fā)生熱失控?cái)U(kuò)散，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)觸發(fā)對(duì)象和相鄰的兩個(gè)單體電池溫度和電壓。熱失控的判定方法與單體電池的熱失控試驗(yàn)一致，如相鄰電池發(fā)生熱失控或模組內(nèi)存在起火、爆炸，則判定熱失控傳播發(fā)生。
GB 38031的熱失控傳播測(cè)試方法與GB/T 36276相似，同時(shí)增添針刺的觸發(fā)方式。GB 38031規(guī)定的針刺觸發(fā)試驗(yàn)按如下方式進(jìn)行：采用直徑為3～8 mm圓錐形針尖的刺針以0.1～10 mm/s的針刺速度觸發(fā)熱失控。針刺的位置和方向應(yīng)可以觸發(fā)熱失控。熱失控傳播會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量，要充分考慮電池系統(tǒng)的散熱能力和阻隔材料的有效性，并及時(shí)提供預(yù)警信號(hào)。IEC 62619并未對(duì)觸發(fā)方式和熱失控判定作具體詳細(xì)規(guī)定，但觸發(fā)熱失控方法要記錄到測(cè)試報(bào)告中，同時(shí)IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電池內(nèi)短路試驗(yàn)可以替代熱失控傳播試驗(yàn)。
UL 9540A模塊間熱失控傳播試驗(yàn)規(guī)定：觸發(fā)足夠數(shù)量(一個(gè)或多個(gè))單體電池發(fā)生熱失控，確保有足夠能量引發(fā)模塊的熱失控火蔓延，觀察熱失控蔓延特性。試驗(yàn)采用與UL 9540A單體電池?zé)崾Э販y(cè)試相同觸發(fā)方式。樣品測(cè)試需在集煙罩下進(jìn)行，收集模塊熱失控產(chǎn)生的氣體，可采用傅里葉紅外氣體分析儀、火焰離子探測(cè)器和鎳薄膜固態(tài)傳感器分別確定氣體組分、碳?xì)浠衔锖蜌錃獾暮俊Ｑ鹾姆繜嵯到y(tǒng)測(cè)量電池火焰燃燒的熱釋放速率和總?cè)紵艧崃?。測(cè)量試驗(yàn)前后模塊的質(zhì)量，確定模塊熱失控火蔓延的質(zhì)量損失。試驗(yàn)期間，使用光電探測(cè)器和白光源測(cè)量熱釋放速率測(cè)量系統(tǒng)排氣管道中的透光率，從而計(jì)算煙霧釋放速率和總量。
2.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)單元和安裝層級(jí)測(cè)試
UL 9540A儲(chǔ)能系統(tǒng)單元層級(jí)的熱失控火蔓延測(cè)試，主要是根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)單元安裝的9種應(yīng)用場(chǎng)景，進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試配置。試驗(yàn)測(cè)量的參數(shù)與模塊級(jí)相同的有氣體、煙霧釋放速率和燃燒熱釋放速率，同時(shí)針對(duì)儲(chǔ)能單元級(jí)的特性，增添了對(duì)流熱釋放速率、輻射熱流和溫度等數(shù)據(jù)。其中，溫度測(cè)量區(qū)域主要有熱失控觸發(fā)單元、目標(biāo)單元和墻體。此外，UL 9540A針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝層級(jí)測(cè)試，目的在于評(píng)估噴淋系統(tǒng)和消防計(jì)劃的有效性。測(cè)試可以從以下兩方面開展：①噴淋系統(tǒng)滅火和防爆試驗(yàn)，②其他滅火系統(tǒng)和防爆試驗(yàn)，例如氣體滅火劑、細(xì)水霧系統(tǒng)和組合系統(tǒng)。GB/T 36276中對(duì)于電池簇的測(cè)試則主要包括絕緣性能、耐壓性能和初始充放電能量試驗(yàn)等，IEC 62619針對(duì)電池組系統(tǒng)測(cè)試主要為功能安全性測(cè)試，兩者都在儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控火蔓延相關(guān)測(cè)試存在缺失。
如前所述，UL 9540A對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)不同層級(jí)熱失控火蔓延的試驗(yàn)覆蓋更全面、測(cè)試方法更具體和應(yīng)用性更強(qiáng)，但缺乏定量的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，例如針對(duì)熱失控氣體的可燃性和毒性，可能存在爆燃和毒性等潛在危害，并沒有很好地定量評(píng)估。此外，需要注意上述試驗(yàn)過程可能出現(xiàn)起火、爆炸、爆燃、可燃和有毒氣體的釋放等危險(xiǎn)。因此，試驗(yàn)人員要接受相關(guān)培訓(xùn)，佩戴必要的安全防護(hù)裝備，避免造成可能的傷害。
3 結(jié)語
本文歸納對(duì)比了國內(nèi)外現(xiàn)有儲(chǔ)能用鋰離子電池安全性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)分析了儲(chǔ)能系統(tǒng)不同層級(jí)熱失控測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)。總體來說，國內(nèi)儲(chǔ)能用鋰離子電池測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)多引用便攜設(shè)備或動(dòng)力鋰離子電池相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)事故的頻發(fā)，表明儲(chǔ)能用鋰離子電池安全測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)仍存在較大缺失。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)模大，設(shè)計(jì)復(fù)雜，需長期安全運(yùn)行，因此要結(jié)合儲(chǔ)能用鋰離子電池特性，開發(fā)適用于儲(chǔ)能用鋰離子電池測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)。我國儲(chǔ)能用鋰離子安全性測(cè)試體系不夠完善，總體有以下不足或建議。
（1）儲(chǔ)能系統(tǒng)不同層級(jí)熱失控火蔓延標(biāo)準(zhǔn)缺失，而熱穩(wěn)定性對(duì)電池安全性能至關(guān)重要，研究?jī)?chǔ)能熱失控火蔓延特性和消防抑制措施對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)安全具有重要意義?？山梃bUL 9540A的標(biāo)準(zhǔn)思路，采用分層級(jí)和多參數(shù)綜合測(cè)試和評(píng)估儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控火蔓延。
（2）缺少可量化的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)方法，目前的判斷依據(jù)多為泄漏、爆炸和起火等，過于單一和寬泛，此外，熱失控氣體積聚的爆燃和毒性等潛在危害難以判定和量化。相關(guān)的毒性氣體評(píng)價(jià)方法和模型，如FED和FEC等，以及動(dòng)力鋰離子的危害等級(jí)劃分，均有參考和借鑒意義。
（3）現(xiàn)有儲(chǔ)能電池檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)均是對(duì)新電池進(jìn)行測(cè)試，而老化電池的相關(guān)安全規(guī)定和檢測(cè)要求卻很少見，而部分儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)事故是在使用一段時(shí)間后發(fā)生。因此需要建立相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)使用過的電池進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估。
（4）大容量?jī)?chǔ)能用鋰離子電池危險(xiǎn)性大、試驗(yàn)成本高，相關(guān)檢測(cè)試驗(yàn)技術(shù)仍存在不足，而動(dòng)力鋰離子電池的檢測(cè)設(shè)備、相關(guān)試驗(yàn)研究和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)成熟。開展儲(chǔ)能用鋰離子電池安全試驗(yàn)研究和設(shè)備研發(fā)，將有助于相關(guān)安全測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的制定和完善。
（5）完善的儲(chǔ)能安全測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)體系可保證儲(chǔ)能系統(tǒng)安全運(yùn)行，但需要對(duì)企業(yè)研發(fā)提出規(guī)范化產(chǎn)品質(zhì)量的要求，同時(shí)第三方檢測(cè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)需要及時(shí)掌握新標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求，持續(xù)提升專業(yè)技術(shù)和服務(wù)能力，方能在儲(chǔ)能市場(chǎng)中脫穎而出。
