磷酸铁锂电池热失控三阶段解析!
现有的商业化锂离子电池多采用有机电解液,易燃易爆,尤其是应用于规模化储能电站时,数万甚至数十万个储能电芯串并联,极易导致连锁反应,引起火灾、爆炸事故。
储能锂离子电池热失控主要原因有两个一个是外部原因,储能电站空间密闭,内部存储大量能量,充放电时电化学反应会释放热能,本身具有潜在热失控危险;另一个是内部原因,锂离子电池电解液电化学反应引发的副反应容易引发热失控。
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电池结构上,以磷酸铁锂电池为例,磷酸铁锂电池的正极附着在铝箔上,负极涂布在铜箔 上,中间的聚合物隔膜把正负极分隔开,锂离子可以 穿过隔膜来回迁移。电池用铝合金外壳密封,内部充斥着电解液。
磷酸铁锂电池一旦发生热失控,将经历热失控早期(100℃左右)、电池鼓包阶段(300℃左右)和起火爆炸阶段(超过300℃)三个阶段。
第一阶段,热失控早期,电池内部温度升高至100℃左右,SEI分解,隔膜融化,产生气体。
这一阶段,电池内部温度迅速升高至接近100℃,电池负极表面的固体电解质界面膜钝化层分解,电池SEI膜失去保护。超过100℃,化学反应产生二氧化碳等气体。150℃左右,电池内聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜先后融化,电池电解液与正极发生反应。
同时,电池温度上升过程中,电池正负极接触引发短路。电解液与其他有机溶剂发生分解、放热化学反应,释放二氧化碳、氟化氢、氢气等气体。
第二阶段,电池鼓包阶段,电池内部温度升高至300℃左右,产生大量可燃气体,产生鼓包现象。
这一阶段,锂离子电池内温度上升至300℃左右时,其内部锂与电解液、有机溶剂发生化学反应,产生大量甲烷、丙烷等碳氢可燃气体。电池内部空间密闭,气体无法迅速扩散,在电池内部大量累计,导致电池发生鼓包现象。
第三阶段,起火、爆炸阶段电池内部温度超过300℃,电池内发生强烈氧化还原反应,出现明火。
这一阶段,电池仍处于充电状态,正极与电解液仍在进行强烈的氧化还原反应,电池迅速升至高温并释放大量有毒气体。
目前,储能电站多采用储能舱形式,舱内电池模组排列紧密成簇,处于热失控高温状态的电池模组极易影响其他电池模组发生热失控,引发连锁反应,最终导致电池出现明火,最终爆炸。