锂离子电池在储能中的应用及安全问题分析

冷旭宁 朱作鑫

摘要：本文主要针对锂离子电池在储能中的应用及安全问题展开研究，先分析锂离子电池易发事故，然后详细论述锂离子电池在储能中的应用及安全预防措施，主要包括加强优質电池的合理选择、优化系统设计、实施分级预警和多级防护机制等，旨在不断提高锂离子电池的应用水平，满足安全性要求，并确保良好的储能效果。

关键词：锂离子电池;储能;应用;安全问题

现阶段，在人类社会不断发展过程中，气候变暖、环境污染等环境问题越来越严重化。绿色、低碳的储能器件越来越盛行，已经成为了人们共同关注的焦点话题之一。对于锂离子电池来说，作为储能器件之一，其新型化特点突出。当前，在锂离子电池研究中，安全性与可靠性为重中之重，不仅要注重电池能量密度的提升，也要给予安全性一定的保证，这两者都是必须要实现的。

一、锂离子电池易发事故分析

（一）锂电池

1.单体电池

超温，为单体安全问题之一，面对温度失控现象的发生，对其原因进行分析，主要包括：首先，能量守恒原理。在电池充放电中，能量损失，会实现放电时化学能/充电时电能向热能的顺利转变。能量密度与热量产生成正比。如果热量无法及时散出，一旦积聚于电池内部，极容易造成高温现象的出现。如果电池高温状态持续时间较长，会加剧电池内部的化学反应，产热也比较明显，从而升高温度。其次，电解液易燃特性+高能量密度。现阶段，对于醚类有机溶剂来说，具有较高的离子输运能力，而且具有纯度高、易燃性特点，电池的高能量密度值的获取，主要得益于电池电压的升高。如果缺少充足的电解液耐高压能力，极容易加剧氧化分解的发生，放出的热量【1】，会大大增加电池温度，基于高温作用下，电池内部各种副反应将会难以避免。如果电池温度持续增加，电解液与粘结剂热反应会暴露出来，并促使热失控。在热失控阶段的影响下，电池会短期出现起火等不良现象。一个电池失效，对于整个储能系统的影响较大，其后果不堪设想。

2.电池组

相比于单只电池，电池的一致性如果不足，会影响到串/并联电池组，效率、安全性等性能均难以保证。对于电池的不一致性来说，主要是指电池即使规格型号相同，其电压、内阻等参数数据有着明显的区别。分析其影响因素，首先，先天因素。如果电池制造过程的工序较多，在相关因素的影响下，如现有工艺技术和制造成本等，极容易造成多批次出厂的单体电池出现误区，特别在性能指标方面，其一致性难以得到满足，所以在电池系统成组前，分选是非常有必要的，所选的电池在容量、内阻等指标方面，应满足一致性要求。对于被分选的电池，如果属于梯次利用的范围【2】，会进一步加剧电池之间的差异性。其次，电池系统的不一致性。与单体电池进行对比，电池组的温度失控比较迅猛化，其严重性突出。在储能系统中，比能量较多，而且电池具有较大的比功率，电池在有限空间内得到了密切的排列。在使用方面，各单体电池的相关运行工况有着明显的差异性，尤其在电流、电压等方面，且各单体衰减特性也是不相同的。对此电池组，与充放电循环之间的联系性密切，产热的均匀性难以保证，电池间温差也越来越明显，严重威胁到部分电池的充放电性能，甚至影响到其使用寿命，从而使安全隐患更加容易发生。

（二）锂离子电池的易发事故分析

首先，连锁反应。众所周知，储能系统不具备独立运行的状态。面对储能故障脱网的发生，会加剧电网波动的出现，并影响到其它相连系统。其次，火灾。在锂离子电池燃烧方面，氧气并没有参与其中，内部材料化学反应比较明显，不建议采用传统隔绝氧气灭火办法。现阶段，在灭火系统中，灭火措施的有效性有待考证，面对火灾的出现，如果扑灭不及时【3】，将会使事故越来越严重。在电池着火的同时，储能系统电气火灾的出现也是难以避免的。最后，人身伤害。在电池着火和爆炸的影响下，极容易波及到现场工作人员的人身安全。电解液中的六氟磷酸锂，在燃烧过程中，会促使有毒气体氟化氢的大量释放，从而刺激到眼睛、皮肤。

二、锂离子电池在储能中的应用及安全预防措施

（一）加强优质电池的合理选择

分析生产工艺问题的发生，主要是因为微粒或灰尘，存在于电池制备过程中;极片切割，促使金属毛刺的形成;隔膜上出现的微孔洞较多;浆料混合的均匀性难以保证;每个极片厚度和质量的一致性不足，这些安全隐患都是不容忽视的。基于此，要想满足系统性和安全性需求，必须要对电池供应商进行合理选择。特别在梯次利用过程中，应从健康状态和剩余寿命等指标出发，为诊断筛选分组再造提供可行依据。

（二）优化系统设计

对于隔热阻燃衬层，设置在电池舱四周舱壁为最佳，在材料使用方面，应满足耐高温和绝热性能需求，将电池舱的隔热阻燃性能提升上来。在热管理设计过程中，基于有限的空间内，可以为高容量电池温度区间的适宜性创造有利条件，同时将温度分布的均匀性发挥出来【4】。其中，温度分布均匀的方法，主要包括改造空冷系统流道、改变流向等;研制的阻燃型新型液态冷却剂，应具备良好的导热性能，为取得良好的散热效果提供极大的便利性;要想不断提高降温水平，应加强热管冷却技术的研发，但是要符合经济型标准;可重构电池网络的软件，对于提高电池单体差异和成组后的匹配度具有极大的帮助。

（三）实施分级预警和多级防护机制

在电池包内，应加强烟雾和温度探测控制器的安装，并对内置式灭火装置进行放置，一旦探测器发现异常现象，内置灭火器会得到启动，形成对起火风险的有效控制，并为报警信号的发出创造有利条件。在电池单元、电池柜等安全防护方面，消防预警系统联动BMS具有较高的应用价值【5】，尤其在电池运行状态、消防系统的切断、启动方面，将安全防护多层级发挥出来。同时，外部消防紧急接口的设置也是必不可少的。基于紧急情况，可以手动开启校方系统。

（四）开发并产业化固态锂离子电池

在充放电过程中，液态电解质会实现向锂枝晶的顺利转化，锂枝晶会对电池寿命造成影响，并促使内短路的出现。相比于液态电解液的全固态锂离子电池，非可燃性固态电解质具有良好的替代效果，避免安全问题的出现，如电池电解液腐蚀、泄露等。现阶段，在锂电池研究方面，有机和无机固态电解质非常关键，但固态电解质的离子电导率并不高，有着较高的结晶率，扩散速率与液态有着明显的差距。

（五）升级电解液配方和正负极材料

添加阻燃剂、多盐体系、高浓度等电解液，是电池性能改善的重要举措之一。针对于锌基锂离子电池，具有较高的循环寿命特点，其电解质、负极分别为水溶液、金属锌。

三、结束语

总而言之，在锂离子电池技术不断发展过程中，其创新元素的融合较多，但是也不能满足于此，而是要高度注重研发、设计、制造、运营等环节，确保锂电池储能水平的稳步推进。

参考文献：

[1]崔超婕，田佳瑞，杨周飞，等. 石墨烯在锂离子电池和超级电容器中的应用展望[J]. 材料工程，2019，47（5）：9.

[2]郭东亮、刘洋、肖鹏、孙磊、陶风波. 储能电站用锂离子电池热失控早期预警参数研究[J]. 消防科学与技术，2020，39（8）：4.

[3]张洋，吕中宾，姚浩伟，等. 集装箱式锂离子电池储能系统消防系统设计[J]. 消防科学与技术，2020，039（002）：143-146.

[4]张明宇，矫利伟. 动力锂离子电池技术应用及展望——评《动力及储能锂离子电池关键技术基础理论及产业化应用》[J]. 电池，2020，v.50;No.265（05）：105-106.

[5]曹连胜，赵超，金欣，等. 基于离子选择性迁移策略的动力/储能电池隔膜的研究进展[J]. 复合材料学报，2021，38（7）：2027-2039.

作者简介：冷旭宁，1987年11月出生，男，山东海阳人，博士，工程师，研究方向：新能源化学储能与动力电池;

朱作鑫，1985年12月出生，男，山东日照人，博士，高级工程师，研究方向：功能材料制造与应用。