煤礦在用大容量鋰離子蓄電池安全性分析及管理措施

姚 源

（安標國家礦用產品安全標志中心有限公司，北京100013）

鋰離子蓄電池（以下簡稱鋰電池）具有能量密度高、放電特性平穩、無記憶效應、循環壽命長等諸多優點，在我國交通運輸、電力儲能等領域被廣泛應用[1]。由于鋰電池屬于高能、有機化學電池，當生產過程中存在缺陷或者誤用濫用時，就有發生電解液泄放、著火，甚至爆炸的可能[2]，業界也普遍認為隨著鋰電池應用范圍的擴大，其發生事故的風險也加速增加[3]，在航空等特殊領域也有嚴格限制[4-5]，因此鋰電池的安全一直是各方關注焦點。

在煤礦領域應用中，自2013 年以來，單體電池額定容量超過10 Ah 的大容量鋰電池逐步開始在監測通信系統、電動無軌膠輪車等礦用裝備中應用，截至2018 年，煤礦井下使用的大容量鋰電池的生產企業有13 家，應用于100 多個不同類型的礦用裝備中，常用容量為20、60、100 Ah，其中60 Ah 應用最多，占比接近60%。近年來，隨著國家大力推進煤礦開采的超產高效、無人少人化，大功率、智能化的機器人裝備發展速度加快，大容量鋰電池的應用也越來越廣[6-8]。

為提高使用安全性，在礦用產品安全標志準入過程中對鋰電池的應用提出了嚴格要求，包括僅能使用磷酸鐵鋰電池、必須進行針刺/擠壓/熱沖擊等試驗、容量不得超過100 Ah、同一隔爆外殼內只允許串聯、必須配備電池管理系統等，但仍有安全問題發生。研究認為，除了鋰電池的生產制造技術需要持續完善提高外，與使用中的維護管理及鋰電池安全性能隨使用時間劣化的時間效應有直接關系[9-10]。為保障鋰電池在井下的使用安全，在對井下鋰電池使用與管理現狀系統調研的基礎上，對在用鋰電池安全性隨使用時間的劣化規律開展試驗研究，并提出了對策措施建議。

1 煤礦用大容量鋰電池應用與管理現狀

赴內蒙、陜西、山西、安徽等地調研發現，大容量鋰電池較集中的應用于監測通信系統后備電源及輔助運輸設備動力電源2 個方面，在井下的應用安全缺乏相應的管理手段，安全性及充放電管理工作也尚未引起足夠重視。

1.1 監測通信系統后備電源

目前監測通信系統后備電源選用的大容量鋰電池均為安全性能較好的磷酸鐵鋰電池，供電方式以單體電池或4 只、6 只、8 只電池串聯為主，接近50%的設備采用的是容量為40 Ah 鋰電池，此類容量的單體電池總數約占應用總數的72.81%，總容量約占69.07%。

電源均可實現電池電量低于設定值時自動充電，多支電池串聯供電的電源均具備放電均衡功能，均具備電池管理系統基本功能。只有約15.84%的設備可以進行遠程主動充放電維護保養工作，且僅能獲取基本信息，缺乏電池長期浮充條件下容量衰減與電池健康狀況的判別，充放電記錄也暫時無法調取。

另外，缺乏遠程控制手段的電源，僅能在人工巡檢時通過電源本身的報警顯示才能發現電源的故障，維護過程更難以實現對電池進行周期性深度充放電的保養作業。此類后備電源使用均不超過3.5年，使用一段時間的后備電源的實際續航能力約為新電源的80%。

1.2 輔助運輸用動力電源

煤礦井下采用鋰電池為動力的輔助運輸設備主要為礦用防爆鋰電池蓄電池無軌膠輪車、防爆鋰電池蓄電池單軌吊與防爆鋰電池蓄電池電機車。作為輔助運輸設備的動力電源，需求的一致性使鋰電池的使用特點也較為統一。以電動無軌膠輪車為例進行分析。

1）應用管理情況。截至2018 年10 月，井下在用或試用的電動無軌膠輪車共有超過170 輛，包括材料運輸車和人員運輸車，車輛最早投入使用時間為2014 年，累計運行里程最高為320 000 km。在單體電池容量方面，主要選擇了86 Ah 和100 Ah 2 種磷酸鐵鋰電池，包括64 支、100 支串聯使用，電池管理系統也都具備車輛監測所需功能，部分車輛可以回傳電池維護數據至廠家，供廠家維護保養參考。從調研數據反饋情況來看，所有車輛在使用一段時間后，續航里程較新車相比均有不同程度的下降，下降幅度小的大約為7%左右，下降幅度最大的大約為32%，僅能達到原有續航能力的68%。

2）鋰電池應用數據。從調研現場采集了某型號電動無軌膠輪車動力電源同一電池組中64 支鋰電池約4 個月的單體電池運行參數進行分析。從電池的電壓數據來看，充放電過程中出現57 次單體電池過充及42 次單體電池過放電情況。詳細分析典型的一次過充電的過程數據，可以發現該組64 支單體電池中有59 支都發生了過充，過充率超過92%，且過充時間長達3 min，最高單體過充電壓接近4.3 V，最大電壓的單體電池與最小電壓的單體電池壓差達0.85 V，電池容量明顯不一致。這可能是由于使用一段時間后，電池一致性較差，導致電池管理系統未能即刻判定過充現象，過放電的原因也基本類似。分析結果表明，即使在型式檢驗中電池理系統的功能都已經通過試驗，但實際投入使用時故障還是時有發生，故障嚴重程度也較為不可控制。

2 煤礦在用鋰電池安全性分析

為研究煤礦在用鋰電池安全性能劣化效應及規律，在煤礦現場抽取了使用2 年的防爆鋰電池后備電源中配備的同一批60 Ah 磷酸鐵鋰電池進行試驗，同時選取一批同規格的新電池進行對比分析；抽取了1 臺運行使用3 年的后備電源中的電池管理系統測試5 個參數的檢測精度，并將測試數據與安標新產品認證時的數據對比，對其功能變化開展了相關研究。

2.1 在用大容量鋰電池安全性試驗分析

1）容量衰減分析。以5 A 充電、12.5 A 放電、充放電電壓區間2.5～3.65 V 循環20 次，每次循環后測定其容量值，進行對比分析。3 支新電池的首次放電平均容量為59.7 Ah，在開始幾次內因電池活化放電容量略有提升，隨后保持穩定，放電容量保持率為100%；3 支舊電池首次放電平均容量為56.5 Ah，20 次循環后平均放電容量衰減至55.6 Ah，放電容量保持率為98.7%。新舊礦用大容量鋰電池相比，舊電池的平均放電容量衰減為新電池的94.1%，舊電池出現了容量加速衰減加速的現象。

2）EIS 交流阻抗圖譜分析。對于滿電態的新、舊礦用大容量鋰電池的進行EIS 交流阻抗圖譜分析。計算得新電池的歐姆內阻為9.87 mΩ、電荷轉移阻抗為0.24 mΩ，舊電池的歐姆內阻為26.12 mΩ、電荷轉移阻抗為0.91 mΩ。大量研究數據表明，鋰電池安全性與電池內阻變化關系密切，這說明單體舊電池出現了嚴重的老化狀態，安全性急劇下降。

3）熱失控擴展試驗分析。熱失控擴展試驗常用來分析鋰電池的安全性能。對滿電狀態的新、舊電池進行熱失控擴展試驗，以1 C 電流過充10 min，隨后用500 W 功率的加熱片加熱5 min。試驗過程中新電池除有輕微鼓脹、加熱片所在位置電池殼有融化外，并無明顯其他變化；舊電池試驗過程中不僅出現了電池鼓脹、加熱片所在位置電池殼融化現象，還發生了漏液、冒煙的現象。舊電池雖未發生爆炸，但與新電池相比，其抵御高溫惡劣環境的安全性能已有較大程度降低。

4）擠壓試驗分析。對滿電狀態的新、舊電池進行擠壓試驗，擠壓至形變量30%；新電池擠壓后電池殼體破裂，出現漏液，沒有發生燃燒、爆炸的現象。舊電池擠壓后電池殼體破裂，出現漏液，同樣沒有發生燃燒、爆炸的現象，但電池出現冒煙現象，說明舊電池擠壓所產生的熱量高于新電池，抵御機械沖擊的安全性比新電池差。由于窄邊擠壓的試驗條件更嚴酷，對比電池使用一段時間后的安全性差異的結果也更為明顯，對充滿電的全新電池和進行過500 次充放電循環電池的窄邊進行擠壓對比試驗。試驗過程中新電池僅出現冒煙現象，但循環后的電池已經起火，說明循環后的舊電池抗機械沖擊性能也有明顯下降。

從這4 項試驗來看，在用鋰電池無論在內部安全性還是外部安全性上都已經產生了較大降低，使用一段時間的鋰電池確實存在隱患。

2.2 在用防爆鋰電池電源管理系統可靠性分析

對抽取的防爆鋰電池后備電源，根據《礦用隔爆（兼本安）型鋰離子蓄電池電源安全技術要求》的規定，進行5 項參數測量精度測試，并將測試數據與安標新產品認證時的數據對比，鋰電池電源參數測量精度對比見表1。通過分析發現，礦上抽回樣品的單體電池電壓值測量精度、電池組電壓精度、容量測量精度遠低于型式試驗，且不滿足初始要求，電池組電流、單體電池溫度精度雖能滿足要求，但也遠低于新產品。

表1 鋰電池電源參數測量精度對比Table 1 Measuring accuracy contrast of Li-ion battery supply before and after use

由于礦用鋰電池及防爆電源使用環境條件遠比地面條件惡劣，且維護保養難度大，所以在用鋰電池的電性能、電池管理系統的檢測精度都發生了不同程度的衰減，使用安全性明顯下降，在長期使用過程中確實存在發生事故的風險。

3 安全管理措施建議

1）持續保障和提高鋰電池的制造水平及應用技術水平。既然鋰電池存在安全性能劣化的時間效應，那么新產品的現有安全要求不僅不能降低，反而應持續提高，應對生產、檢驗要進行嚴格把控，用電設備的在鋰電池的選型方面也應當進一步強化一致性，強化串并聯的限制；同時，應提升應急處置措施，如在機器人用鋰電池電源已提出增加高效滅火措施，一旦電池發生熱失控起火可快速高效滅火，從源頭上不斷提高鋰電池電源的安全性。

2）提高對鋰電池安全性能的檢驗要求。由于井下用鋰電池的更換較地面相比更不便捷，且從試驗結果來看，多次循環后鋰電池及其電源的安全保障性能下降明顯。為降低井下應用鋰電池發生火災的風險，煤礦用鋰電池建議新產品的型式試驗中應當增加500 次循環后的安全性測試，甚至可以根據使用壽命，提升至1 000 次到2 000 次后的安全性能測試，目前在軍工的部分領域中，已經用到了這樣更嚴格的標準。同時，鋰電池電源也應當在型式試驗中增加一段模擬實際使用狀態后的性能測試，以提高鋰電池及設備整體的可靠性。

3）細化鋰電池使用的維護管理要求。由于鋰電池充放電管理、維護保養都有諸多特殊要求，誤用濫用存在造成的安全事故的可能性，建議國家、行業和企業分級建立相關的安全使用管理要求，防止過充過放情況的發生，幫助建立用戶的良好使用習慣；同時，嚴格控制鋰電池的使用壽命，在安全的前提下，最大程度的發揮鋰電池性能。

4）加快研發電池管理系統相關功能?？茖W合理的維護和監測使用是礦用鋰電池應用安全的基本保障，電池管理系統是維護與監測礦用鋰電池的基本手段，電池管理系統不僅要能實現日常電池狀態的監測與管理，在熱失控的早期能提前發現電池異常并及時報警，同時針對如監控系統后備電源等特殊用途的礦用設備，還應進一步增設定期維護、巡檢、調校、測試等功能，為井下設備供電電源精準配置提供支持，避免形成新的危險因素。

4 結 語

深入調研了大容量鋰電池在煤礦安全監控系統、防爆無軌運輸車輛等重要裝備中的使用現狀，現場采集并分析在用鋰電池的運行信息，選取典型電池樣品分別開展容量衰減、EIS 交流阻抗圖譜分析、熱失控擴展與安全性測試等比對試驗，發現在用鋰電池及電源的安全性會有明顯降低。綜合分析使用情況與試驗分析結果，提出保障大容量鋰電池在煤礦井下安全使用的對策措施。