干货丨船用锂电池的安全分级及技术方面的要求

  目前，常用于新能源领域的锂电最重要的包含磷酸铁锂电池三元锂电池，按照电池形状又可分为方形铝壳、圆柱、软包电池。磷酸铁锂电池不含有害元素，成本低廉，安全性非常好，循环寿命长，但单位体积内的包含的能量低；三元锂电池单位体积内的包含的能量高，大倍率充电和耐低温性能好，但热稳定性差。由于不一样的种类的电池的结构特点及反应原理有所区别，导致其安全性各有不同，从风险控制的角度对不同安全等级的锂电池采取不同的安全策略，这也是对锂电池进行安全等级规划区分的意义。

  中国船级社在对于锂电池规范指南的研究开展的比较早，2014年7月就发布了《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南》(2014)版，随着锂电池技术的发展、标准的更新换代，锂电池技术在船舶领域的应用也慢慢变得多。2019年，中国船级社发布《纯电池动力船舶检验指南》，替代了《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南》里面的相关要求。

  2019指南比较大的几个变化就是对试验项目和办法来进行了比较大的更新，试验项目中，单体电池增加了热失控试验，蓄电池模块和蓄电池包增加了热失控扩散要求，试验方法参照了相关新的IEC标准、国标等要求，使试验更具有操作性和有效性。二是在第二章中引入了锂电池安全分级的概念，主要将电池分为两个安全等级，安全等级为1的蓄电池需要通过严格的保护措施可船用，安全等级为2的蓄电池可采用通用安全措施可船用。提出了对蓄电池风险评估的要求，从蓄电池的设计原理、理论分析、试验结果等方面对蓄电池有几率存在的风险做评估，保证锂电池的使用安全。

  锂电池在实际使用的过程中有几率发生碰撞、过充、过放、短路等风险，从而引发热失控，甚至导致起火爆炸。随着单体电池单位体积内的包含的能量的提高，安全风险也越大，热失控释放的能量也更高，而大多数事故因为火势大而烧毁了现场证据，不容易找到准确的事故原因。2019年10月，挪威渡船公司Norled旗下“MF Ytteroyningen”号客船的蓄电池室发生小型火灾事，事故原因不明。但动力电池的火灾一般是从一个或几个电芯发生热失控开始的。

  无论电池是因为外部力量(碰撞、挤压、针刺、破裂等)还是由于内部因素(电池老化造成结构伤害损坏、过充导致电池鼓包、隔膜缺陷、杂质、毛刺、褶皱等)都有可能导致内部短路，短时间释放大量的、能量，电池温度急剧上升，导致非常严重后果。针对动力电池热失控发生的诱因，预防手段大致上可以分为电芯材料的优化和外部环境的预防管理。

  (1)电芯材料的优化主要是通过对电芯材料的优化，阻断热失控的发生，提高电芯的抗热失控能力，主要从电芯的4大主材(正极材料、负极材料、隔膜、电解液)入手，如采用耐热性更高的磷酸铁锂作为正极材料，对正极材料各元素的配比分析，提高电芯的耐热性，在电解液中添加阻燃剂或开发固体聚合物电解质，采用强度更高、破膜温度更高的隔膜。对电芯材料的优化可以从根本上提升电池的安全性能，但也在某些特定的程度上影响电池性能的发挥。

  (2)针对电芯热失控外部风险管控的措施大致上可以分为结构预防、BMS监控及热管理预防三个方面，如提高电池包的机械结构及防护等级；添加电芯或模组之间的间隔组件，阻止电芯或模组之间热传导的发生；采用风冷、水冷、油冷等减轻热失控对电池的损伤；增加电源管理系统(BMS)通过实时监控电池的电量、电池充放电、电池温度等措施保证电池处于健康工作状态，在系统异常及热失控发生前对系统发出预警。

  中国船级社《纯电池动力船舶检验指南》2019第7章检验与试验技术方面的要求，表7.2.1.2规定了蓄电池单体检验中关于热失控试验的试验方法及参考标准。其中要求热失控试验按照电力储能用锂离子电池GB/T36276：2018中5.2.3.8和附录A.2.19的要求做验证。试验目的是验证电池在一定条件下发生热失控后的危险程度，热失控判定合格条件是在热失控的条件下，电池不应起火、爆炸。

  (1)电芯容量为105Ah，试验采用500W电加热板接触加热目标电芯，加热板通过不锈钢夹具与电芯紧密束缚在一起。温度传感器布置如下：

  (2)按要求对测试电芯加热1h后，电池安全阀打开，开始产生可见烟气，随后电池发生热失控，产生大量烟雾，热失控发生一段时间后，烟气慢慢地减少，电池表面开始降温，直至试验结束。

  如上图所示，电池表面温度在热失控前均在逐渐上升，在电池安全阀打开后出现一定波动，在电池热失控后达到峰值。其中T4应安全阀脱落所测温度出现跌落情况，因电池未起火，对环境和温度T5影响较小。

  中国船级社《纯电池动力船舶检验指南》2019第二章第二节安全分级中对电池安全分为两个等级：

  注：(1) 在热失控情况下释放氧气和有毒可燃气体，燃烧(爆炸)风险较高的蓄电池，安全等级为1。

  (2) 在热失控情况下仅释放有毒可燃气体，燃烧(爆炸)风险较低的蓄电池，安全等级为2。

  从分级一览表中不难得知分类的主要区别是在热失控条件下是否释放氧气，燃烧(爆炸风险)是否较高，目前生产锂电池的厂家基本也都有能力进行热失控试验，且都能提供国家强制检测报告，但通过热失控的判定条件(在热失控的条件下，电池不应起火、爆炸)不难发现，热失控试验并没有要求对是否释放氧气及有毒可燃气体，释放的浓度有多少，燃烧爆炸的风险高低进行判断。如果想要对热失控所释放的气体做多元化的分析，就必须对释放的气体进行收集并利用相关气体探测器对释放烟气进行探测分析，而目前能达到该试验条件并取得CCS认可的机构较少，所以尽快建立相应的试验能力，尤为重要。

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