锂离子电池能在小空间内提供高密度能量,这使得它们非常适用于固定式电能存储系统(预制舱式磷酸铁锂电池储能电站)。随着能源转型,越来越多的建筑物和基础设施安装设置了该系统。然而,这种功能性原理虽然成功且通常安全,但也存在设计相关风险。电池单元的特点是在很小的空间中存在大量的化学能,并且电极之间的距离非常小(隔离层通常≈30 µm)。同时,使用的电解液通常是可燃的或高度易燃的。
热失控是造成电解液燃烧的主要原因,一旦发生热失控,电池温度迅速上升,在几毫秒内温度上升到数百度,直接造成电池材料燃烧。当锂电池电解液分解燃烧产生的可燃气体浓度达到一定水平时,遇到明火就会发生爆炸。且锂离子电池在自燃时会释放氧气,易出现复燃现象。
锂电池储能容器中有大量的辅助电气设备。这些设备的不安全使用还增加了存储容器的整体火灾风险。大容量储能单元并联形成,不仅增加了锂电池失效的概率,而且在发生火灾时电池无法切断,增加了火灾蔓延通道。
一旦发生火灾,锂电池储能容器内的锂电池在高温条件下释放的氢、一氢化物等可燃气体无法得到有效控制,可能导致火灾迅速蔓延甚至爆炸,危及主要电气设备,造成财产损失。
由于锂离子电池的特殊结构及机理,在发生锂离子电池火灾时,采用普通的灭火方式将明火扑灭后,电池的内部短路现象还在继续,热量在继续累积,累积的热量会使电池内的电解液再次起火,重新猛烈燃烧。
2021年航天康达(北京)科技发展有限公司(后简称公司)承接了一项“100MW/200MWh储能电站工程”项目,为预制舱式磷酸铁锂电池储能电站中的电池预制舱设计安装全氟己酮锂离子电池热失控火灾抑制系统。
设计方案秉承着“早发现、早处置,一处着火,全箱保护”的原则”。首先,在热失控事件中,电解液会随着温度的上升而不断蒸发,这会导致电池内的压力升高,直到电解液蒸汽通过安全阀或破裂的电池壁释放出来。设计方案通过探测热失控早期出现的特殊气体,将足够浓度的全氟己酮引入电池预制舱。利用全氟己酮灭火剂物理降温的灭火特性,将全氟己酮直接释放到电池簇内,对电池及周边环境进行降温,让电池内部的隔膜不再继续分解破坏,阻断电池内部的热失控链条。其次,通过控制器联动向BMS发出信号,切断预制舱电源,关闭空调,以阻止因过度充电或过载引起的热失控蔓延。该项目中设计的全氟己酮锂离子电池热失控火灾抑制系统已于2022年1月完成安装并稳定运行。
目前,我公司已先后参与设计多个PACK、簇、舱级的预制舱式磷酸铁锂电池储能电站中电池预制舱的方案。随着储能的快速发展,公司依托十余年全氟己酮技术研发的基石,也必将为更多储能电站的安全进行“加码”。