船用鋰電池安全防控策略及標(biāo)準(zhǔn)體系

近年來(lái)，隨著離子鋰電池技術(shù)日趨成熟，其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。在這種背下，鋰離子電池在船舶上的應(yīng)用也在不斷提速。那么，當(dāng)下船用鋰離子電池性能如何？如何確保其安全？這些都是業(yè)界比較關(guān)注的問(wèn)題。

鋰電池的主要特性

目前主流鋰離子電池主要有：鈷酸鋰電池、三元鋰電池（鎳鈷錳）、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池和鈦酸鋰電池，但不同的鋰離子電池有不同的特性。鈷酸鋰熱失控起始溫度低，釋放熱量多，磷酸鐵鋰電池的熱穩(wěn)定性是最佳的。從安全性能方面考慮，錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池和鈦酸鋰電池成為動(dòng)力電池重點(diǎn)考慮對(duì)象。但錳酸鋰電池與鈦酸鋰電池的能量密度限制了其在動(dòng)力電池中的應(yīng)用。

三元鋰電池由于正極材料特性，在使用過(guò)程中相對(duì)于其他鋰離子電池更容易觸發(fā)熱失控，熱失控后釋放的熱量多，且會(huì)釋放可燃有毒氣體的同時(shí)釋放大量氧氣，更易燃易爆，造成安全隱患。近年來(lái)，屢次發(fā)生火災(zāi)事故的特斯拉電動(dòng)汽車采用的就是三元鋰電池。2019年10月10日，挪威渡船公司Norled旗下“MFYtteroyningen”號(hào)客船的蓄電池室發(fā)生小型火災(zāi)事故，使用的是三元鋰電池。該船制造于2006年，并于2018年改建為柴電混合動(dòng)力渡船，配備了加拿大公司Corvus Energy提供的容量為1989 kWh的Corvus Orca儲(chǔ)能系統(tǒng)。在事故發(fā)生后，船舶回到港口當(dāng)天晚間，船上鋰電池所在的地方（甲板下方的相關(guān)區(qū)域）發(fā)生了嚴(yán)重的氣體爆炸，造成重大破壞，隨后趕去事故現(xiàn)場(chǎng)滅火的12名消防員因?yàn)榻佑|與電池有關(guān)的有害氣體而被送往醫(yī)院。這是一起典型的三元鋰電池滅火后二次復(fù)燃導(dǎo)致的燃燒爆炸事故。在三元鋰電池首次滅火后，雖然明火已滅，但熱失控并未終止，持續(xù)釋放可燃?xì)怏w和氧氣，積累到一定量后，隨著溫度的持續(xù)增高，再次復(fù)燃爆炸。

而磷酸鐵鋰電池中的正極材料磷酸鐵鋰高溫穩(wěn)定，較難分解，在實(shí)際使用中具有耐高溫、安全穩(wěn)定性強(qiáng)、循環(huán)性能更好的優(yōu)勢(shì)。

鋰離子電池安全分級(jí)及防護(hù)策略

電池動(dòng)力船舶根據(jù)其自身安全性特點(diǎn)重點(diǎn)需要考慮的問(wèn)題有：鋰離子電池自身安全性；鋰離子電池溫升監(jiān)測(cè)與控制；鋰離子電池?zé)崾Э氐念A(yù)防和監(jiān)控；鋰離子電池船上布置；鋰離子電池滅火有效措施；電池系統(tǒng)與船舶管理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。針對(duì)以上問(wèn)題本文提出了蓄電池船用安全分級(jí)理念和多層安全防控策略。

首先，蓄電池本身安全性存在隱患，正常使用可能釋放有毒、可燃?xì)怏w或存在爆炸、鼓脹、漏液風(fēng)險(xiǎn)的蓄電池禁止船用。其次，從電池的化學(xué)特性給出蓄電池安全分級(jí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)熱失控后的不同表現(xiàn)分級(jí)考慮。在熱失控情況下釋放氧氣和有毒可燃?xì)怏w，燃燒（爆炸）風(fēng)險(xiǎn)較高的蓄電池，安全等級(jí)為1；在熱失控情況下僅釋放有毒可燃?xì)怏w，燃燒（爆炸）風(fēng)險(xiǎn)較低的蓄電池，安全等級(jí)為2。具體如表1所示。

安全等級(jí)為1的蓄電池因在高溫和熱失控下產(chǎn)生大量氧氣和可燃?xì)怏w，為電解液的分解和燃燒提供助燃劑，且熱分解在較低溫度，產(chǎn)生熱失控的概率大，一旦產(chǎn)生熱失控造成爆炸和滅火后復(fù)燃的可能性也較大，因此必須提高防護(hù)等級(jí)；安全等級(jí)為2的蓄電池正常工作時(shí)安全可靠，熱失控狀態(tài)下一般只會(huì)釋放白色有毒刺鼻（可燃）氣體，較少產(chǎn)生明火，通過(guò)適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)可以船用。

依據(jù)以上原則，按照?qǐng)D1所示多層安全防控策略，在不同層級(jí)根據(jù)不同安全等級(jí)給出具體要求。通過(guò)從電芯、蓄電池模塊/蓄電池包、蓄電池箱（柜）和蓄電池艙室層層防護(hù)，將鋰電池的事故發(fā)生率降到最低。

具體的防控措施條款在指南條款中體現(xiàn)，此處不單獨(dú)釋義。

純電池動(dòng)力船舶規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系

21世紀(jì)初，隨著大容量蓄電池的出現(xiàn)，并在陸上蓬勃發(fā)展，引起了各大船級(jí)社的重視，船用蓄電池只用鉛酸電池或堿性鎳版型電池的要求逐漸被打破。如圖2所示，給出了船用電池與各大船級(jí)社提出船用鋰離子電池規(guī)范的大概時(shí)間軸。

CCS電池動(dòng)力船舶規(guī)范法規(guī)體系

國(guó)內(nèi)，中國(guó)船級(jí)社早在2010年左右就開(kāi)始研究鋰離子電池動(dòng)力船舶規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展實(shí)船應(yīng)用技術(shù)攻關(guān)，并將相關(guān)成果轉(zhuǎn)化成規(guī)范法規(guī)。2014年，中國(guó)船級(jí)社對(duì)外發(fā)布了《太陽(yáng)能光伏電池系統(tǒng)和磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗(yàn)指南》（2014）。2016年，《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）將磷酸鐵鋰電池的技術(shù)要求納入。2019年，《內(nèi)河小型船舶檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》2019修改通報(bào)將磷酸鐵鋰電池的技術(shù)要求納入；同年，《混合動(dòng)力船舶檢驗(yàn)指南》（2019）和《純電池動(dòng)力船舶檢驗(yàn)指南》（2019）相繼對(duì)外發(fā)布。相對(duì)于國(guó)外船用鋰離子電池的安全技術(shù)條款，最新的《純電池動(dòng)力船舶檢驗(yàn)指南》首次提出安全分級(jí)的理念和多層安全防護(hù)理念，有針對(duì)性地解決了不同鋰離子電池船用安全防控問(wèn)題。2020年，《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（2020）將磷酸鐵鋰電池法定要求納入。至此，國(guó)內(nèi)基本形成了完整的純電池動(dòng)力船舶標(biāo)準(zhǔn)體系。

電池系統(tǒng)應(yīng)用解決方案服務(wù)

在純電池動(dòng)力船舶標(biāo)準(zhǔn)體系下，CCS推出了以促進(jìn)綠色船舶發(fā)展為目標(biāo)的電池系統(tǒng)應(yīng)用解決方案，致力于確保鋰離子動(dòng)力電池船舶的應(yīng)用安全。根據(jù)客戶需求，為客戶量身定制船用鋰電池系統(tǒng)儲(chǔ)能/推進(jìn)設(shè)計(jì)方案，為船舶清潔電力提供服務(wù)。具體服務(wù)如下：

1)鋰離子電池的選型、容量計(jì)算方案；

2)電池管理系統(tǒng)控制策略；

3)鋰電池艙的設(shè)計(jì)和布置；

4)清潔能源+鋰電池+電力推進(jìn)系統(tǒng)組合解決方案（混合動(dòng)力）；

5)鋰離子電池/超級(jí)電容+電力推進(jìn)組合解決方案（純電池動(dòng)力）；

6)鋰離子電池+直流母線電力推進(jìn)系統(tǒng)解決方案；

7)集裝箱式移動(dòng)電源解決方案；

8)電池管理系統(tǒng)的認(rèn)可；

9)鋰離子電池產(chǎn)品（電芯、電池包）的認(rèn)可；

10)鋰電池電力推進(jìn)系統(tǒng)的解決方案及認(rèn)可。