鉅大LARGE | 點擊量：1175次 | 2019年05月31日
梯次利用電池安全性研究及對策
第八屆“儲能國際峰會暨展覽會2019（ESIE2019）”于5月18-20日在國家會議中心（北京）盛大啟幕，主題聚焦“技術(shù)應(yīng)用雙創(chuàng)新，規(guī)模儲能新起點”，將開展主題演講、展覽展示、創(chuàng)新大賽、專題研討、項目考察、新品發(fā)布、技術(shù)交流等多種活動。能見App作為本次峰會的戰(zhàn)略合作媒體，負(fù)責(zé)本次峰會圖文直播。
中國電力科學(xué)研究院高級工程師范茂松
以下為發(fā)言實錄：
主持人：尊敬的各位來賓大家下午好！我是雷博，來自南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，也是國家梯次利用重點研發(fā)計劃的聯(lián)系人。首先代表ESAE2019歡迎大家來到我們今天第三天的主題論壇，也感謝您在周一這個繁忙的早上，能夠抽出寶貴的時間來和我們一起探討今天的一個重要的主題。
今天的主題是“退役電池梯次利用”，應(yīng)該說這個主題是我們這個產(chǎn)業(yè)在這幾年來一直非常關(guān)注的熱點，同時也是這幾年來我們一直感受到的一個痛點。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
我國到2018年底現(xiàn)在新能源汽車的保有量達到了260余萬輛，其中純電動的210余萬輛，照這么計算，大概現(xiàn)在在路面上跑的可能會有100GwH的退役動力電池，這些電池可能會在今年、明年或者后年以很快的大規(guī)模的形式涌入我們的回收市場。我們經(jīng)常討論的一個話題是我們要不要做這個事情，但是在很多人來看，這個是我們必須也一定要做的事情。
應(yīng)該說梯次利用這個主題大家每個人心中都有不同的答案，今天我們的主題論壇有幸邀請到了11位嘉賓，他們有來自研究院所的，有來自設(shè)備廠商的，同樣有來自用戶。我們希望我們通過11位專家給我們的分享，能夠讓我們更清晰的看到梯次利用的未來，能夠更清晰的了解到在現(xiàn)在這個時間點，我們做梯次利用是盡社會責(zé)任還是它可能成為一種共贏的生態(tài)。
下面我們開始進入精彩的報告環(huán)節(jié)，首先有請中國電科院范茂松專家為我們帶來《梯次利用電池安全性研究及對策》，大家歡迎范總！
范茂松：非常感謝組委會給我這么一次機會，剛才從雷主任的介紹我們也能看到，在中國這個南網(wǎng)和國網(wǎng)兩大電網(wǎng)公司對動力電池梯次利用這件事情都特別關(guān)注。很榮幸去年峰會我也是作為報告人給大家分享了一下當(dāng)時中國電科院在梯次利用上做的一些工作，當(dāng)時主要是分享在電池的一些性能評估和壽命評價上。
其實我們知道梯次利用主要關(guān)注兩件事情：
1、壽命，就是梯次利用階段的壽命到底怎么樣，這個直接決定了整個梯次利用儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性。
2、在梯次利用過程中的安全性，因為這個更是決定了這個東西到底能不能用。
我將分幾個部分給大家匯報一下：
一、研究背景。
儲能電池的安全永遠是它的第一要素，也是一票否定的東西。因為我們現(xiàn)在用的電化學(xué)儲能主要用的是鋰電池體系，采用EC、DMC、DEC有機容積的體系，一旦發(fā)生熱失控就會發(fā)生連鎖反應(yīng)，尤其現(xiàn)在大規(guī)模集裝箱可能一燒就是一整個。近年來儲能電池也是發(fā)生了多起事故，前兩天報告里很多專家都講過，包括韓國已經(jīng)發(fā)生了20多起的儲能安全安全事故。這個4月19號美國的亞利桑那州也是剛剛AES公司發(fā)生火災(zāi)，據(jù)說這個還發(fā)生了爆炸，在消防的過程中還有消防員受傷。這個是國內(nèi)的一些事故，大家可能都更清楚了，一個是山西火電廠調(diào)頻電廠的事故，當(dāng)時滅火啟動了，但是效果不是很明顯。第二個是江蘇一個用戶側(cè)在調(diào)試的過程中一個集裝箱發(fā)生火災(zāi)。
對于梯次電池來說，剛才像雷主任講的，未來幾年可能做這件事情會越來越好，因為電動汽車去年銷量已經(jīng)超過了100萬輛，電池退役量也會快速增加。到2025年可能現(xiàn)在跑的車大部分電池都要退役了，退役的量將近要達到100個GWH。
因為梯次電池相對新電池的成本優(yōu)勢，所以現(xiàn)在國內(nèi)好多儲能的廠商包括電網(wǎng)或者有儲能需求的一些單位，包括電網(wǎng)公司還有電動汽車公司他有退役電池資源的這樣一些單位，都特別關(guān)注梯次利用，大家在研究的同時也做了大量的示范工程。在國外一個是比較早的像日本的4R主要用的是LeaF電池，寶馬用的i3的電池，做了兩個站。國網(wǎng)這邊累計做了12個電站，兆瓦時的有4個，國網(wǎng)有一個更大的，一會兒江蘇的公司會講可能現(xiàn)在正在規(guī)劃的。南網(wǎng)也是牽頭了去年的國家重點研發(fā)計劃梯次利用的項目，南網(wǎng)在未來兩年也會做幾十兆瓦甚至上百兆瓦的幾個站。還有像一些社會上的第三方的系統(tǒng)集成商，現(xiàn)在上海煦達做電池儲能，還有鐵塔公司他們有200萬個基站，需求量也非常大。
現(xiàn)在雖然做了這么多工程，但是梯次電池在用的過程中的安全性到底怎么樣？主要有兩個方面：第一，電池安全性主要還是它的熱失控，梯次電池與新電池相比是不是更容易發(fā)生熱失控？第二，如果它發(fā)生熱失控以后，它的破壞程度或者反應(yīng)的劇烈程度是怎么樣的？
下面我就這兩個問題，中國電科院這幾年做的一些工作給大家簡單的匯報一下。這是我們比較早的時候做的一個梯次利用電池的樣品，這個是當(dāng)時2008年北京奧運會用的90安時的錳酸鋰，大概在2011年底，2012年初退役的，這個主要是按照電動汽車的各種標(biāo)準(zhǔn)來做的型式實驗。從這個我們能看到按照電動汽車的標(biāo)準(zhǔn)，它是可以通過各種安全實驗的，是沒有問題的，這里面我跳兩個說一下，一個是過充電，一個是短路，因為這兩個對電池來說是相對比較劇烈的濫用的實驗。但是我們看這個過充電的時候，這個電池是沒有太大反應(yīng)的，當(dāng)時可能溫度大概只有表面四五十度，電池來鼓脹都沒有，這個與新電池相比它的劇烈程度已經(jīng)降低了很多。因為當(dāng)時2008年的時候我很有幸正好就是在做電池的這家公司，所以對新電池的安全特性也是比較了解的。然后我們看他做短路的實驗，雖然電池鼓脹了，大概有70度，但是這個相對新電池來說也是有一個明顯的降低。新電池以前在電池廠做的時候大概會到100度以上。
這是一個比較大的200安時硬殼的電動汽車的磷酸鐵鋰電池，因為剛才20安時的容量比較小，做什么都沒有反應(yīng)，這個我就選了幾組他做的濫用實驗，并且都跟新電池做了一個對比，這樣就更容易看出來它跟新電池在濫用情況下，它的一個反應(yīng)程度。第一個是過充電的實驗，上面是新電池，我們都能看到從容量就能判斷出來，第二個是梯次電池，兩個電池做過充電的時候它的現(xiàn)象基本上是差不多的，就是電池發(fā)鼓，安全閥開啟并且冒煙。但是我們能看出梯次電池在整個過充過程中表面的溫度是顯著低于新電池的，梯次電池正極負(fù)極的溫度只有在150度左右，但是新電池達到了300度左右。
這個是做的一個過放電的實驗，過放電相對過充電來說就沒有那么劇烈，我們可以看出來新電池大概有一點溫升，大概在50多度。梯次電池只有30多度，電池這個只有輕微的發(fā)鼓，所以它這個防爆閥沒有開啟，因為溫度還沒到，所以可能我們從照片上看不太出來。
這個是做的一個短路的實驗，這個做的時候因為這個電池比較大，200安時，內(nèi)阻比較小，定頻內(nèi)阻可能只有0.2毫歐（音）左右，所以可以算他大概的短路電流是幾千安的，所以這個做的時候一段路電池的焦耳（音）就直接燒斷了，所以這個不是一個真真正正的短路到0V的實驗，所以我們其實也看它這個電池表面沒有太多的溫升。
這個做得是一個擠壓的實驗，從這個我們可以看出來，這個新電池和梯次電池在擠壓前后其實因為這個本身沒有太多的溫度變化，電池也沒有發(fā)生熱失控，這個新舊電池是差不多的，因為沒有引起電池內(nèi)部的反應(yīng)。
這個做得是一個針刺的實驗，可以看出來在針刺以后這個電池都冒煙了，從重量就可以看出來，6公斤的電池大概剩了4點幾公斤，但是從正負(fù)極溫度對比的話，梯次電池反應(yīng)的劇烈程度還是要顯著低于新電池的。
下面簡單介紹一下我們在簡單安全上這些年做的一些對策研究。我們知道對于儲能系統(tǒng)的安全其實是多方面的，首先要電池本征的安全，用的這個樣品本身使用過程就是安全的。第二是在本體應(yīng)用中的安全控制技術(shù)，主要包括電池預(yù)警技術(shù)、熱失控以后的防護技術(shù)，一個電池?zé)?，但是能夠把它防護住，或者最多燒一個模組，防止熱失控蔓延，最后是起火以后的消防的技術(shù)，這個也是這兩年好多廠家都在做的一件事。
針對電池的安全預(yù)警技術(shù)我們大概做了這么幾方面的工作：一是電壓預(yù)警，主要是根據(jù)拿新電池對比，在充放電末期大家從實際的數(shù)據(jù)來分析，梯次電池和新電池的一致性的問題，然后來定梯次電池一致性的壓差應(yīng)該控制在什么范圍之內(nèi)。二是電池表面溫升，測電池表面的溫升，結(jié)合下面對電池進行的仿真，一個是仿真這個電池內(nèi)部大概是什么溫度。其實我們前兩年還做了一個很有意思的事情，我們用光纖的傳感器，傳感器很細(xì)，可以直接放進這個電池里面，然后我們研究了這個電池的內(nèi)部溫度，真正電芯內(nèi)部的溫度，可以放到極片里面和表面溫度的差異，剛才20安時內(nèi)部差異很小，但是對內(nèi)部很厚的電池會發(fā)現(xiàn)這個溫差其實有好幾度，所以我們可以通過這樣一個表面的溫度的仿真，再結(jié)合真正光纖測的溫度，可以真正了解電池內(nèi)部的溫度是什么狀況，再結(jié)合熱失控特性的研究，這樣就可以形成整個溫度的閉環(huán)，就能知道這個電池現(xiàn)在衰退到什么狀態(tài)的時候，內(nèi)部可以承受的溫度是一個什么情況，這時候外部是一個什么溫度，我們在熱管理上就更有針對性。
其次是我們做的一個防護的技術(shù)，這個其實是用了一種叫EPDM隔熱材料，在每個電池中間加這么一個材料，然后去引發(fā)一組電池的熱失控，看看它能不能有效抑制熱失控的蔓延。
CH1是我們引發(fā)的熱失控，過充讓它發(fā)生熱失控，發(fā)現(xiàn)CH2相鄰的也發(fā)生了熱失控，但是在它周邊的電池組都沒有發(fā)生熱失控，并且它的溫度明顯比那些都降低。但是這個東西現(xiàn)在可能還只停留在實驗階段，真正應(yīng)用的時候在裝配的時候還是有很多問題。
最后是現(xiàn)在做的一些消防的東西，因為大家現(xiàn)在研究的比較多的主要是這幾種滅火器，七副丙烷、1230、熱氣溶膠，還有現(xiàn)在江蘇公司主要用的超細(xì)水霧。中國電科院這邊也是結(jié)合這么多年在電池安全性的研究，我們現(xiàn)在也做了這樣一個滅火的裝置，它也是通過煙感、溫感、壓力感多種傳感器來判斷電池的狀態(tài)，我們這個是采用氣液復(fù)合滅火器，采取不同滅火策略，具有自動判定、自動啟動滅火。
這個是我們大概做實驗的時候這么一個東西，20升的滅火器。這個也是去專門國家消防裝備部門做了一個檢驗，就是滅火裝置0.5秒鐘可以啟動，3.5秒可以滅火，24小時沒有復(fù)燃。這個是現(xiàn)在大概做了幾種，根據(jù)應(yīng)用場景不同可以配置不同容量的滅火系統(tǒng)。
最后就是對這個內(nèi)容做小結(jié)：首先梯次電池?zé)崾Э匾院笥捎诒旧砟芰康慕档停苑磻?yīng)的程度也有所降低。由于電池的內(nèi)部狀態(tài)的變化，自產(chǎn)熱溫度和熱失控起始溫度也越來越低，大概什么意思，可能梯次電池出事以后破壞力小了，但是相對于新電池如果同樣的應(yīng)用可能更容易出事了，所以我們還是要根據(jù)梯次電池的實際狀況來制定它的安全策略，最后再選擇一個合適的滅火方式。其實我覺得在整個安全過程中，首先還是本體的安全和預(yù)警，這個是最前面的，還是要把這個做到更到位的，就是我本體制造的時候，減少這種工藝上的缺陷，然后讓這個電池更加安全。在應(yīng)用的過程中根據(jù)這個電池的特性，能明確它的安全邊界條件，采取有效的措施，消防也很重要，它是安全的最后一道防線，哪怕我燒了一個模塊，也別全燒了，能夠及時的把它滅掉。
