目前，常用于新能源領(lǐng)域的鋰電主要包括磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，按照電池形狀又可分為方形鋁殼、圓柱、軟包電池。磷酸鐵鋰電池不含有害元素，成本低廉，安全性非常好，循環(huán)壽命長，但能量密度低；三元鋰電池能量密度高，大倍率充電和耐低溫性能好，但熱穩(wěn)定性差。由于不同種類的電池的結(jié)構(gòu)特點及反應(yīng)原理有所區(qū)別，導(dǎo)致其安全性各有不同，從風(fēng)險控制的角度對不同安全等級的鋰電池采取不同的安全策略，這也是對鋰電池進(jìn)行安全等級劃分的意義。
? 船用動力鋰電池的規(guī)范及技術(shù)要求
中國船級社在對于鋰電池規(guī)范指南的研究開展的比較早，2014年7月就發(fā)布了《太陽能光伏系統(tǒng)及磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗指南》(2014)版，隨著鋰電池技術(shù)的發(fā)展、標(biāo)準(zhǔn)的更新?lián)Q代，鋰電池技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越多。2019年，中國船級社發(fā)布《純電池動力船舶檢驗指南》，替代了《太陽能光伏系統(tǒng)及磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗指南》里面的相關(guān)要求。
2019指南比較大的幾個變化就是對試驗項目和方法進(jìn)行了比較大的更新，試驗項目中，單體電池增加了熱失控試驗，蓄電池模塊和蓄電池包增加了熱失控擴散要求，試驗方法參照了相關(guān)新的IEC標(biāo)準(zhǔn)、國標(biāo)等要求，使試驗更具有操作性和有效性。二是在第二章中引入了鋰電池安全分級的概念，主要將電池分為兩個安全等級，安全等級為1的蓄電池需要通過嚴(yán)格的防護措施可船用，安全等級為2的蓄電池可采用通用安全措施可船用。提出了對蓄電池風(fēng)險評估的要求，從蓄電池的設(shè)計原理、理論分析、試驗結(jié)果等方面對蓄電池可能存在的風(fēng)險進(jìn)行評估，保證鋰電池的使用安全。
? 動力鋰電池的使用風(fēng)險分析及應(yīng)對方法
鋰電池在實際使用過程中可能發(fā)生碰撞、過充、過放、短路等風(fēng)險，從而引發(fā)熱失控，甚至導(dǎo)致起火爆炸。隨著單體電池能量密度的提高，安全風(fēng)險也越大，熱失控釋放的能量也更高，而大多數(shù)事故因為火勢大而燒毀了現(xiàn)場證據(jù)，不容易找到準(zhǔn)確的事故原因。2019年10月，挪威渡船公司Norled旗下“MF Ytteroyningen”號客船的蓄電池室發(fā)生小型火災(zāi)事，事故原因不明。但動力電池的火災(zāi)一般是從一個或幾個電芯發(fā)生熱失控開始的。
無論電池是因為外部力量(碰撞、擠壓、針刺、破裂等)還是由于內(nèi)部因素(電池老化造成結(jié)構(gòu)損傷、過充導(dǎo)致電池鼓包、隔膜缺陷、雜質(zhì)、毛刺、褶皺等)都有可能導(dǎo)致內(nèi)部短路，短時間釋放大量的、能量，電池溫度急劇上升，造成嚴(yán)重后果。針對動力電池?zé)崾Э匕l(fā)生的誘因，預(yù)防手段主要分為電芯材料的優(yōu)化和外部環(huán)境的預(yù)防管理。
(1)電芯材料的優(yōu)化主要通過對電芯材料的優(yōu)化，阻斷熱失控的發(fā)生，提高電芯的抗熱失控能力，主要從電芯的4大主材(正極材料、負(fù)極材料、隔膜、電解液)入手，如采用熱穩(wěn)定性更高的磷酸鐵鋰作為正極材料，對正極材料各元素的配比分析，提高電芯的熱穩(wěn)定性，在電解液中添加阻燃劑或開發(fā)固體聚合物電解質(zhì)，采用強度更高、破膜溫度更高的隔膜。對電芯材料的優(yōu)化可以從根本上提升電池的安全性能，但也在一定程度上影響電池性能的發(fā)揮。
(2)針對電芯熱失控外部風(fēng)險管控的措施主要分為結(jié)構(gòu)預(yù)防、BMS監(jiān)控及熱管理預(yù)防三個方面，如提高電池包的機械結(jié)構(gòu)及防護等級；添加電芯或模組之間的間隔組件，阻止電芯或模組之間熱傳導(dǎo)的發(fā)生；采用風(fēng)冷、水冷、油冷等減輕熱失控對電池的損傷；增加電源管理系統(tǒng)(BMS)通過實時監(jiān)控電池電量、電池充放電、電池溫度等措施保證電池處于健康工作狀態(tài)，在系統(tǒng)異常及熱失控發(fā)生前對系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警。
? 動力電池?zé)崾Э卦囼灧椒?/strong>
中國船級社《純電池動力船舶檢驗指南》2019第7章檢驗與試驗技術(shù)要求，表7.2.1.2規(guī)定了蓄電池單體檢驗中關(guān)于熱失控試驗的試驗方法及參考標(biāo)準(zhǔn)。其中要求熱失控試驗按照電力儲能用鋰離子電池GB/T36276：2018中5.2.3.8和附錄A.2.19的要求進(jìn)行驗證。試驗?zāi)康氖球炞C電池在一定條件下發(fā)生熱失控后的危險程度，熱失控判定合格條件是在熱失控的條件下，電池不應(yīng)起火、爆炸。
如下是某型號磷酸鐵鋰單體電池?zé)崾Э卦囼灥幕厩闆r：
(1)電芯容量為105Ah，試驗采用500W電加熱板接觸加熱目標(biāo)電芯，加熱板通過不銹鋼夾具與電芯緊密束縛在一起。溫度傳感器布置如下：
(2)按要求對測試電芯進(jìn)行加熱1h后，電池安全閥打開，開始產(chǎn)生可見煙氣，隨后電池發(fā)生熱失控，產(chǎn)生大量煙霧，熱失控發(fā)生一段時間后，煙氣逐漸減少，電池表面開始降溫，直至試驗結(jié)束。
如上圖所示，電池表面溫度在熱失控前均在逐漸上升，在電池安全閥打開后出現(xiàn)一定波動，在電池?zé)崾Э睾筮_(dá)到峰值。其中T4應(yīng)安全閥脫落所測溫度出現(xiàn)跌落情況，因電池未起火，對環(huán)境溫度T5影響較小。
電池試驗前后對比
? 船用動力電池的安全分級要求及方法
中國船級社《純電池動力船舶檢驗指南》2019第二章第二節(jié)安全分級中對電池安全分為兩個等級：
安全分級一覽表
注：(1) 在熱失控情況下釋放氧氣和有毒可燃?xì)怏w，燃燒(爆炸)風(fēng)險較高的蓄電池，安全等級為1。
(2) 在熱失控情況下僅釋放有毒可燃?xì)怏w，燃燒(爆炸)風(fēng)險較低的蓄電池，安全等級為2。
從分級一覽表中可以知道分類的主要區(qū)別是在熱失控條件下是否釋放氧氣，燃燒(爆炸風(fēng)險)是否較高，目前生產(chǎn)鋰電池的廠家基本也都有能力進(jìn)行熱失控試驗，且都能提供國家強制檢測報告，但通過熱失控的判定條件(在熱失控的條件下，電池不應(yīng)起火、爆炸)可以發(fā)現(xiàn)，熱失控試驗并沒有要求對是否釋放氧氣及有毒可燃?xì)怏w，釋放的濃度有多少，燃燒爆炸的風(fēng)險高低進(jìn)行判斷。如果想要對熱失控所釋放的氣體進(jìn)行分析，就必須對釋放的氣體進(jìn)行收集并利用相關(guān)氣體探測器對釋放煙氣進(jìn)行探測分析，而目前能達(dá)到該試驗條件并取得CCS認(rèn)可的機構(gòu)較少，所以盡快建立相應(yīng)的試驗?zāi)芰Γ葹橹匾?/p>
來源：中國船檢
