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一、研究背景
磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池具有工作電壓高、能量密度大、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，在大規(guī)模儲能領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。在過充條件下，鋰枝晶在石墨負(fù)極上持續(xù)生長可能使電池聚合物隔膜穿孔，導(dǎo)致正負(fù)極直接接觸發(fā)生短路，造成電池的熱失控，是鋰離子電池儲能電站安全可靠運行所面臨的主要挑戰(zhàn)之一。因此，深入了解磷酸鐵鋰儲能電池的熱失控發(fā)展規(guī)律，開發(fā)針對電池?zé)崾Э氐南冗M監(jiān)（檢）測及抑制技術(shù)對于鋰離子電池儲能電站的大規(guī)模工程應(yīng)用具有重要意義。
二、重點內(nèi)容
本文綜述了鋰離子儲能電池?zé)崾Э氐恼T因、電池內(nèi)部反應(yīng)過程及外部特征參量的變化規(guī)律，重點總結(jié)了當(dāng)前主要的電池?zé)崾Э貭顟B(tài)檢測技術(shù)、智能診斷算法及儲能電站安全防控技術(shù)，最后對儲能電站熱失控狀態(tài)檢測及安全防控技術(shù)進行了總結(jié)和展望。
鋰離子電池?zé)崾Э氐母驹驗榘⊿EI膜（Solid Electrolyte Interface，固體電解質(zhì)薄膜）的分解反應(yīng)、負(fù)極與電解液的反應(yīng)、正極與電解液的反應(yīng)以及電解液的分解反應(yīng)在內(nèi)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生的熱-溫循環(huán)，產(chǎn)熱與產(chǎn)氣會引起內(nèi)部溫度升高和壓力增大，最后導(dǎo)致熱失控的發(fā)生。在儲能電站中， 最常見的熱失控觸發(fā)因素是以加熱為代表的熱濫用和以過充為代表的電濫用。電池?zé)崾Э剡^程中，溫度、電壓等參量均會出現(xiàn)明顯變化，同時由于內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)，電池會釋放特征氣體。目前主要基于此類信號出現(xiàn)的臨界條件實現(xiàn)電池的狀態(tài)檢測和熱失控預(yù)警。
圖1 鋰離子電池?zé)崾Э剡^程示意圖
目前儲能電站應(yīng)用的熱失控狀態(tài)檢測技術(shù)主要包括BMS（BATTERY MANAGEMENT SYSTEM，電池管理系統(tǒng)）、氣體采樣分析器、溫度傳感器以及煙霧感應(yīng)器等，檢測的特征參量主要是溫度、電流、電壓以及氫氣、一氧化碳等特征氣體，對熱失控的檢測均由自防爆閥打開后的可見煙階段開始，無法準(zhǔn)確檢測電池?zé)崾Э氐脑缙陔A段。在儲能電站運行和維護過程中，仍然存在著較高的安全風(fēng)險，需要進一步的研究以優(yōu)化儲能電站熱失控預(yù)警方案。為了實現(xiàn)有效、準(zhǔn)確的狀態(tài)監(jiān)（檢）測和早期預(yù)警，各類傳感器檢測技術(shù)、電化學(xué)阻抗譜、超聲檢測技術(shù)得到快速的發(fā)展。
表1 不同傳感技術(shù)優(yōu)缺點
由于鋰離子電池模組之間排列緊密，一旦單體電池發(fā)生的熱失控得不到有效遏制，火災(zāi)極易傳遞相鄰電池，使得相鄰電池發(fā)生熱失控，最后導(dǎo)致整個儲能電站發(fā)生起火甚至爆炸。當(dāng)前，鋰離子電池儲能電站的安全防控主要分為集中式防控、熱蔓延抑制、分布式防控三個方面。采用單一的防控方式或滅火劑往往不足以應(yīng)對儲能電站的火災(zāi)。為了達到最佳滅火效果，常需要采用多種防控方式、滅火劑相結(jié)合的方式以建立立體式多方位消防系統(tǒng)，實現(xiàn)聯(lián)合防控。
圖2 氣體-細(xì)水霧聯(lián)合滅火系統(tǒng)消防控制方案（集中式防控）
圖3 細(xì)水霧滅火劑可靠性驗證試驗平臺
（分布式防控：以模組為滅火單元）
圖4 自觸發(fā)電池?zé)崾Э匾种蒲b置布置方式示意圖
（分布式防控：以電池單體為滅火單元）
三、后續(xù)研究內(nèi)容
1）電池發(fā)生熱失控的根本原因在于內(nèi)部鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，因此開發(fā)本質(zhì)安全的電池是解決電池?zé)崾Э貑栴}的主要途徑。
2) 需要開展電池內(nèi)部物理化學(xué)過程的原位研究，建立電池?zé)崾Э剡^程中內(nèi)部物理化學(xué)反應(yīng)過程與外部特征參量的對應(yīng)關(guān)系，更加深刻理解電池?zé)崾Э氐奈锢肀举|(zhì)，進而提出更為準(zhǔn)確的電池?zé)崾Э貦z測特征參量。
3）檢測電池?zé)崾Э氐耐獠刻卣鲄⒘恐荒塬@得有限且延遲的信息，將傳感器植入電池內(nèi)部以實現(xiàn)電池?zé)崾Э氐臋z測與預(yù)警成為當(dāng)前研究熱點。然而，由于電池?zé)崾Э貢r內(nèi)部溫度高且物理化學(xué)過程復(fù)雜，如何在不干擾電池正常工作的前提下適應(yīng)復(fù)雜的內(nèi)部環(huán)境并實現(xiàn)穩(wěn)定的特征參量檢測，是后續(xù)研究的重點內(nèi)容。
4）由于儲能電站電池眾多且排列緊密，單一的滅火方式不足以完全制止儲能電站的火災(zāi)，采用多種滅火方式實現(xiàn)儲能電站的聯(lián)合滅火，已成為目前儲能電站滅火方案的發(fā)展趨勢。
