儲能系統鋰電池延燒試驗與解決對策

 

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吳育欣、葉勝發、劉峻佑、孫秀慧 / 工研院材化所 
前 言
鋰電池(Lithium Battery)因具輕、薄、能量密度高的優勢,已普遍應用於消費性3C產品、電動車與儲能系統(EESSystem)。近年來儲能系統市場需求快速成長,鋰電池應用在儲能系統已由kW級,大幅躍升至MW級,甚至GW級的應用規模。
 
然而隨著近兩年南韓發生多起儲能系統火燒事故,證實即使在電池管理系統(Battery Management System; BMS)及機械結構等多重防護下,鋰電池仍存有發熱自燃的潛在風險,不僅傷害業者形象,也影響業者投資意願及市場布局,更嚴重衝擊鋰電池產業的發展。針對鋰電池內部短路火燒問題,國際電工委員會(IEC)陸續制訂電芯內部短路及電池系統延燒試驗方法;日本電池大廠也要求客戶的電池組必須通過類燒測試才願供貨;今(2019)年大陸電池中國網也報導,動力電池標準將新增「熱擴散」項目;南韓政府亦決定加快腳步強化EES System安全標準。由此可見,國際間已紛紛關注鋰電池熱失控火燒的議題,電池防延燒技術也在產業界受到高度重視。
 
鋰電池熱失控與延燒試驗
熱失控(Thermal Runaway),IEC 62619 將其定義為電芯內部放熱反應導致溫度失控的急遽上升現象。由於鋰電池能量密度高且內含可燃性成分,可能因高溫、過充、撞擊、電子控制系統錯誤或製程瑕疵等因素,使得隔離膜熱熔融或受內部應力而破孔,造成極板接觸形成短路,而發生高熱化學反應。鋰電池熱失控產生的高溫往往可達600~1,000˚C,當這些熱量向四周擴散時,相鄰電芯也同步被加溫,一旦超過容許溫度(約150˚C),相鄰電芯也將自放熱而造成電池系統全面延燒的熱失控連鎖反應。因此,有別於電芯內部埋放L形鎳絲的內部短路試驗,延燒試驗係藉由加熱、針刺、過充電或前述方式合併使用等外力輔助,模擬電池系統內部出現電芯熱失控現象,以驗證電池系統對於熱失控擴散的抵抗能力,如圖一。
 
圖一、延燒試驗熱擴散示意圖
圖一、延燒試驗熱擴散示意圖
 
延燒試驗(Propagation Test)出自國際電工委員會(IEC)於2017年公布的工業用二次鋰電池安全測試標準IEC 62619,屬於內部短路設計評估項目(Considerations for internal short-circuit–design evaluation)之電池系統(Battery System)等級試驗。試驗前依照電芯之種類、材料特性、電池系統的結構設計等要件,找出適當的熱失控方法,以及挑選可供引發熱失控的觸發電池(Trigger Cell)。選用的失效方法不得影響觸發電池以外的電池,並將失效方法詳細說明在測試報告中,如加熱方式、型式、尺寸、最高溫度、升溫斜率、貼附位置、電池表面溫度及充電狀態等。觸發電池確定失效後持續觀察24小時,最終電池系統不得出現明火或外殼有破裂情況,方能符合規範要求。與IEC 62619延燒試驗相似的鋰電池試驗項目尚有UL 1973的Single Cell Failure Design Tolerance,皆是模擬電池系統內部電芯熱失控的試驗方法。
 
電池延燒的防範措施
鋰電池熱失控後通常難以利用外部滅火的方式控制火勢,原因在於內部正極材料發生化學反應時,會持續釋放氧氣及大量的可燃性氣體煙霧,直至可燃材料耗盡為止。而這種氣體煙霧具有閃燃特性,一旦閃燃發生,壓力釋放的過程將使得電池系統內部所有空隙瞬間充斥火焰或高溫而造成危害。因此,電池系統的設計必須能夠有效阻絕或抑制熱失控產生的連鎖反應,除了結構熱傳的導熱外,閃燃火焰的抑制也是電池防延燒的一項重要課題。
 
電池延燒防範重點在於熱失控臨界溫
度前的溫升抑制,進而避免熱失控後熱傳至相鄰電芯。常見的實施措施有:①犧牲電容量,降低充電電壓,抑制電池活性;②犧牲空間,加大電芯間隙,但無法抑止高熱產生的火燒;③採用主動式水冷或液冷的降溫方式,但結構複雜且耗能,較不適用於中小型電池系統;④採用具阻燃、降溫、滅火以及隔氧等功能的材料,抑制熱失控時的熱能擴散。本文介紹的新防範機制乃是採用熱指向性散熱材料,使熱能傳遞至電池系統外而不影響相鄰電芯。此防範機制可以達到電芯均溫運作、阻隔熱失控、成本低、占用空間極小的四層效果。
 
防延燒材料技術
市面上常見的電池模組材料有PC、PC/ABS、鋁板等,具有易加工與低成本的優勢,唯高溫阻絕效果有限,成為電池熱失控延燒隱憂。工研院材化所開發的防延燒護材(Anti-burning Runaway Composite;ABRC) ,除了質輕、剛強與防撞的複材特性之外,相較於工程塑膠,ABRC材料導熱特性佳、尺寸安定、兼具絕緣特性,不僅符合UL94 V0等級,也通過軌道車輛的防燃規範,具備優異的火源屏蔽效果,材料差異如表一所示。
 
使用最高溫達1,100˚C的瓦斯噴槍進行模擬實驗,比較各種ABRC材料是否有阻斷鋰電池熱失控產生的高溫及火焰傳遞效果,同時記錄內部的溫度變化(圖二(a))。以鋰電池熱失控時,高溫反應的時間約持續在10~15秒估計,意味著這段時間的內部溫度必須低於130~150˚C的熱失控臨界溫度,方能有效阻止下一顆電池發生連鎖反應。從圖二(b)的曲線來看,ABRC-2、ABRC-4與ABRC-6材料具有最佳的阻斷效果。另外在圖二(c)及(d)中,可發現灼燒過程不易生成可燃性的黑煙,並且在其表面產生阻燃層,有效抑制高溫蔓延情況。
 
圖二、(a)試驗示意圖;(b)各材料的熱傳情況;(c) ABRC-6材料與(d) ABRC-4材料的燃燒情況
圖二、(a)試驗示意圖;(b)各材料的熱傳情況;(c) ABRC-6材料與(d) ABRC-4材料的燃燒情況
 
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