中国电力科学研究院范茂松：梯次利用电池安全性研究及对策

“梯次电池热失控以后由于本身能量的降低，所以反应的程度也有所降低。由于电池的内部状态的变化，自产热温度和热失控起始温度也越来越低，大概什么意思，可能梯次电池出事以后破坏力小了，但是相对于新电池如果同样的应用可能更容易出事了，所以我们还是要根据梯次电池的实际状况来制定它的安全策略，最后再选择一个合适的灭火方式。”

——中国电力科学研究院高级工程师 范茂松

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中国电力科学研究院高级工程师 范茂松

非常感谢组委会给我这么一次机会，刚才从雷主任的介绍我们也能看到，在中国这个南网和国网两大电网公司对动力电池梯次利用这件事情都特别关注。很荣幸去年峰会我也是作为报告人给大家分享了一下当时中国电科院在梯次利用上做的一些工作，当时主要是分享在电池的一些性能评估和寿命评价上。

其实我们知道梯次利用主要关注两件事情：

1、寿命，就是梯次利用阶段的寿命到底怎么样，这个直接决定了整个梯次利用储能系统的经济性。

2、在梯次利用过程中的安全性，因为这个更是决定了这个东西到底能不能用。

我将分几个部分给大家汇报一下：

一、研究背景。

储能电池的安全永远是它的第一要素，也是一票否定的东西。因为我们现在用的电化学储能主要用的是锂电池体系，采用EC、DMC、DEC有机容积的体系，一旦发生热失控就会发生连锁反应，尤其现在大规模集装箱可能一烧就是一整个。近年来储能电池也是发生了多起事故，前两天报告里很多专家都讲过，包括韩国已经发生了20多起的储能安全安全事故。这个4月19号美国的亚利桑那州也是刚刚AES公司发生火灾，据说这个还发生了爆炸，在消防的过程中还有消防员受伤。这个是国内的一些事故，大家可能都更清楚了，一个是山西火电厂调频电厂的事故，当时灭火启动了，但是效果不是很明显。第二个是江苏一个用户侧在调试的过程中一个集装箱发生火灾。

对于梯次电池来说，刚才像雷主任讲的，未来几年可能做这件事情会越来越好，因为电动汽车去年销量已经超过了100万辆，电池退役量也会快速增加。到2025年可能现在跑的车大部分电池都要退役了，退役的量将近要达到100个GWH。

因为梯次电池相对新电池的成本优势，所以现在国内好多储能的厂商包括电网或者有储能需求的一些单位，包括电网公司还有电动汽车公司他有退役电池资源的这样一些单位，都特别关注梯次利用，大家在研究的同时也做了大量的示范工程。在国外一个是比较早的像日本的4R主要用的是LeaF电池，宝马用的i3的电池，做了两个站。国网这边累计做了12个电站，兆瓦时的有4个，国网有一个更大的，一会儿江苏的公司会讲可能现在正在规划的。南网也是牵头了去年的国家重点研发计划梯次利用的项目，南网在未来两年也会做几十兆瓦甚至上百兆瓦的几个站。还有像一些社会上的第三方的系统集成商，现在上海煦达做电池储能，还有铁塔公司他们有200万个基站，需求量也非常大。

现在虽然做了这么多工程，但是梯次电池在用的过程中的安全性到底怎么样？主要有两个方面：第一，电池安全性主要还是它的热失控，梯次电池与新电池相比是不是更容易发生热失控？第二，如果它发生热失控以后，它的破坏程度或者反应的剧烈程度是怎么样的？

下面我就这两个问题，中国电科院这几年做的一些工作给大家简单的汇报一下。这是我们比较早的时候做的一个梯次利用电池的样品，这个是当时2008年北京奥运会用的90安时的锰酸锂，大概在2011年底，2012年初退役的，这个主要是按照电动汽车的各种标准来做的型式实验。从这个我们能看到按照电动汽车的标准，它是可以通过各种安全实验的，是没有问题的，这里面我跳两个说一下，一个是过充电，一个是短路，因为这两个对电池来说是相对比较剧烈的滥用的实验。但是我们看这个过充电的时候，这个电池是没有太大反应的，当时可能温度大概只有表面四五十度，电池来鼓胀都没有，这个与新电池相比它的剧烈程度已经降低了很多。因为当时2008年的时候我很有幸正好就是在做电池的这家公司，所以对新电池的安全特性也是比较了解的。然后我们看他做短路的实验，虽然电池鼓胀了，大概有70度，但是这个相对新电池来说也是有一个明显的降低。新电池以前在电池厂做的时候大概会到100度以上。

这是一个比较大的200安时硬壳的电动汽车的磷酸铁锂电池，因为刚才20安时的容量比较小，做什么都没有反应，这个我就选了几组他做的滥用实验，并且都跟新电池做了一个对比，这样就更容易看出来它跟新电池在滥用情况下，它的一个反应程度。第一个是过充电的实验，上面是新电池，我们都能看到从容量就能判断出来，第二个是梯次电池，两个电池做过充电的时候它的现象基本上是差不多的，就是电池发鼓，安全阀开启并且冒烟。但是我们能看出梯次电池在整个过充过程中表面的温度是显著低于新电池的，梯次电池正极负极的温度只有在150度左右，但是新电池达到了300度左右。

这个是做的一个过放电的实验，过放电相对过充电来说就没有那么剧烈，我们可以看出来新电池大概有一点温升，大概在50多度。梯次电池只有30多度，电池这个只有轻微的发鼓，所以它这个防爆阀没有开启，因为温度还没到，所以可能我们从照片上看不太出来。

这个是做的一个短路的实验，这个做的时候因为这个电池比较大，200安时，内阻比较小，定频内阻可能只有0.2毫欧（音）左右，所以可以算他大概的短路电流是几千安的，所以这个做的时候一段路电池的焦耳（音）就直接烧断了，所以这个不是一个真真正正的短路到0V的实验，所以我们其实也看它这个电池表面没有太多的温升。

这个做得是一个挤压的实验，从这个我们可以看出来，这个新电池和梯次电池在挤压前后其实因为这个本身没有太多的温度变化，电池也没有发生热失控，这个新旧电池是差不多的，因为没有引起电池内部的反应。

这个做得是一个针刺的实验，可以看出来在针刺以后这个电池都冒烟了，从重量就可以看出来，6公斤的电池大概剩了4点几公斤，但是从正负极温度对比的话，梯次电池反应的剧烈程度还是要显著低于新电池的。

下面简单介绍一下我们在简单安全上这些年做的一些对策研究。我们知道对于储能系统的安全其实是多方面的，首先要电池本征的安全，用的这个样品本身使用过程就是安全的。第二是在本体应用中的安全控制技术，主要包括电池预警技术、热失控以后的防护技术，一个电池烧了，但是能够把它防护住，或者最多烧一个模组，防止热失控蔓延，最后是起火以后的消防的技术，这个也是这两年好多厂家都在做的一件事。

针对电池的安全预警技术我们大概做了这么几方面的工作：一是电压预警，主要是根据拿新电池对比，在充放电末期大家从实际的数据来分析，梯次电池和新电池的一致性的问题，然后来定梯次电池一致性的压差应该控制在什么范围之内。二是电池表面温升，测电池表面的温升，结合下面对电池进行的仿真，一个是仿真这个电池内部大概是什么温度。其实我们前两年还做了一个很有意思的事情，我们用光纤的传感器，传感器很细，可以直接放进这个电池里面，然后我们研究了这个电池的内部温度，真正电芯内部的温度，可以放到极片里面和表面温度的差异，刚才20安时内部差异很小，但是对内部很厚的电池会发现这个温差其实有好几度，所以我们可以通过这样一个表面的温度的仿真，再结合真正光纤测的温度，可以真正了解电池内部的温度是什么状况，再结合热失控特性的研究，这样就可以形成整个温度的闭环，就能知道这个电池现在衰退到什么状态的时候，内部可以承受的温度是一个什么情况，这时候外部是一个什么温度，我们在热管理上就更有针对性。

其次是我们做的一个防护的技术，这个其实是用了一种叫EPDM隔热材料，在每个电池中间加这么一个材料，然后去引发一组电池的热失控，看看它能不能有效抑制热失控的蔓延。

CH1是我们引发的热失控，过充让它发生热失控，发现CH2相邻的也发生了热失控，但是在它周边的电池组都没有发生热失控，并且它的温度明显比那些都降低。但是这个东西现在可能还只停留在实验阶段，真正应用的时候在装配的时候还是有很多问题。

最后是现在做的一些消防的东西，因为大家现在研究的比较多的主要是这几种灭火器，七副丙烷、1230、热气溶胶，还有现在江苏公司主要用的超细水雾。中国电科院这边也是结合这么多年在电池安全性的研究，我们现在也做了这样一个灭火的装置，它也是通过烟感、温感、压力感多种传感器来判断电池的状态，我们这个是采用气液复合灭火器，采取不同灭火策略，具有自动判定、自动启动灭火。

这个是我们大概做实验的时候这么一个东西，20升的灭火器。这个也是去专门国家消防装备部门做了一个检验，就是灭火装置0.5秒钟可以启动，3.5秒可以灭火，24小时没有复燃。这个是现在大概做了几种，根据应用场景不同可以配置不同容量的灭火系统。

最后就是对这个内容做小结：首先梯次电池热失控以后由于本身能量的降低，所以反应的程度也有所降低。由于电池的内部状态的变化，自产热温度和热失控起始温度也越来越低，大概什么意思，可能梯次电池出事以后破坏力小了，但是相对于新电池如果同样的应用可能更容易出事了，所以我们还是要根据梯次电池的实际状况来制定它的安全策略，最后再选择一个合适的灭火方式。其实我觉得在整个安全过程中，首先还是本体的安全和预警，这个是最前面的，还是要把这个做到更到位的，就是我本体制造的时候，减少这种工艺上的缺陷，然后让这个电池更加安全。在应用的过程中根据这个电池的特性，能明确它的安全边界条件，采取有效的措施，消防也很重要，它是安全的最后一道防线，哪怕我烧了一个模块，也别全烧了，能够及时的把它灭掉。

我的分享就到这儿，谢谢大家。