圣彼得堡大学研究人员开发出有利于防止电池火灾的新技术

研究表明，电网规模的电池储能系统在起火之后具有爆炸风险，而对于扑灭电池储能系统火灾的消防人员来说，需要对如何扑灭此类火灾进行培训。

防范和抑制电池火灾绝非易事，成功灭火的关键条件是采用以更快的速度检测到电池故障并触发其响应的技术。据报道，俄罗斯圣彼得国立大学电化学系教授Oleg Levin领导的一个研究小组开发了一种新的方法，有望在电池起火早期检测和响应方面具有竞争优：小组发明的聚合物可以随着温度或电压的变化而改变电导率。研究人员声称，这种方法成本低廉并且可扩展。由于确信这项技术的适用性，研究人员已经为他们的发明申请并获得了专利。


电池起火有多种原因，但大多数归结为过度充电或短路。例如，在APS公司在亚利桑那州运营的一个电池储能系统发生起火并爆炸的事故中，该公司在与技术审计机构DNV GL在事故之后联合进行调查的一份报告中得出结论，电池内部的晶枝树突是罪魁祸首。锂离子电池中的晶枝树突沉积在阳极上，如果不断增长，则会使电池内部短路，从而发生热失控引起火灾。

虽然电池储能系统配备监控系统，可以跟踪所有的电池参数，并在出现问题时关闭电路。但Levin称，在大多数大型电池火灾事件中，这些监控系统都因制造缺陷而发生故障。

Levin说：“这就是根据阻止电池组内部电流的化学反应来制定电池的安全策略特别重要的原因。为此，我们为电池开发一种特殊的聚合物，其导电性可以调节电池的电压变化。如果电池工作正常，这种聚合物不会阻止电流流动。如果电池过度充电或出现短路，或电压降至正常工作水平以下，聚合物进入所谓的‘隔离器’模式。”

当电池由于过度充电或短路而发生故障时，温度会升高到70℃～90℃以上，触发电池内部的化学反应，从而引起自激连锁反应。在达到温度阈值之前，需要防止这种连锁反应（即热失控）。Levin表示，这项研究取得了很大进展。当聚合物开始充当“隔离器”时，其电池内部损伤可能已经非常严重，以至于火灾仍会蔓延。而在故障发展阶段，聚合物对电压变化而不是对热量变化起反应。

Levin说：“开发这种‘化学熔丝’时最困难的部分是寻找活性聚合物。我们知道这类聚合物种类繁多。然而发现一个合适的聚合物是一个难题。此外，我们必须提高技术水平，使其可以实现工业化生产，以表明我们提出的电池安全策略的想法。”

Levin在调查报告表示，该研究所的研究人员在过去八年里一直在研究这种聚合物，但在过去两年，一个定制的项目给这个研究带来了新的动力他表示，电池起火事件发生的次数令人惊讶。例如在1999年至2012年，共有1013例报告案例，而在2012年至2018年，这一数字激增至25000例。并且这个问题仍然没有解决。就在近日，由于存在过热和火灾的危险，澳大利亚竞争与消费者委员会正式通知电池生产厂商LG Chem公司召回其住宅电池储能系统。

目前，这种聚合物只适用于磷酸铁锂（LFP）电池，其原因是不同的阴极成分在不同的电压水平下起作用。磷酸铁锂（LFP）电池的电压为3.2 V，而镍锰钴（NMC）三元锂离子电池阴极的工作电压为3.7至4.2 V，具体取决于其电池的类型。

Levin 说，“改变聚合物的结构可能会改变其导电性，使其适用于目前市场上的其他类型的阴极。我们对如何通过在聚合物中添加安全成分以适应电池温度水平的变化，使这种安全策略更具通用性。而我们研究成果有望消除与电池相关的火灾隐患。”