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【干货】钒液流电池安全性探讨

默菲
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在今年三月份的日内瓦车展上,来自列支敦士登的nano-FLOWCELL公司推出了一款基于液流电池开发的QUANT48Volt的概念车,这也是液流电池技术首次利用在电动汽车上,那么什么是液流电池呢?传统的储能电池正负极活性物质都是固定在电极集流体之上,或者电池内部的,但是液流电池将正负极活性物质直接存储在电池的外部的“正负极储料筒”中,在放电的时候溶液状态的正负极活性物质分别进入到液流电池“主体”中,参加反应,随后反应完的活性物质流出电池结构,进入到“正负极废液储料筒”之中,充电过程则正好相反。我们可以通过增加正负极储料筒的体积,减少液流电池的正负极集流体等结构占整个电池的比例,提高电池的比能量,此外还可以通过快速更换正负极活性物质溶液的方式,实现电池的快速“充电”,就像汽车加油一样方便,因此仅从这一点来说,液流电池非常适合在电动汽车上使用。

虽然目前针对锂离子电池安全性的研究已经很多,但是针对液流电池安全性的研究还比较少,虽然液流电池设计上很少会发生短路,但是在电池维护、组装和拆解等过程中仍然可能发生短路,此外在液流电池工作过程中,金属枝晶的生长仍然可能会导致正负极之间发生内短路,因此对于液流电池的安全性研究是相当必要的。来自奥地利的A.H.Whitehead等人针对钒液流电池在各种短路情况下的电安全性进行了研究。

实验中A.H.Whitehead采用SoC为83%的液流电池电解液,正负极的电解液量都为115L。用于短路测试的电路如下图所示,电池组分别由20和27只电池串联组成,电池的短路电流可以通过短路器进行测量,温度测量则使用Pt1000热电阻直接在电池组的外壳和正负极的极柱上进行测量。

为了模拟在真实环境下的电池短路情况,A.H.Whitehead设计了一下几种情形。

有保险丝的情况下短路

一般来说,电池与电子设备之间都会使用保险丝进行保护,如果短路发生在保险丝之外,那么短路电流将快速熔断保险丝,从而保护电池,试验结果如下图所示,从图中我们可以看到,在短路的瞬间电流达到了730A,电池组电压下降到了0.6V,电池在短路8s后保险丝熔断,电池电压恢复正常,电池的SoC从83%下降到了63%。

在电解液不循环的情况下短路

在电池拆解的情况下,电解液循环泵停止工作,但是电池内部仍然残留着少量的电解液,因此此时电池仍然存在着短路的风险,A.H.Whitehead针对这种情况下的短路进行了测试,短路发生后会一直持续到电流下降到非常小(<5A),测试结果如下图所示,从图上我们可以注意到,最大短路电流仍然超过了700A,但是电流下降速度非常快,电池温升非常小,短路12min电解液仅仅升高了11.3℃,整个过程中电池没有发生泄漏和冒烟等情况。在27只电池串联的情况下,电池的现象与这个非常类似,只不过最大短路电流提高到了830A。

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