针对储能集装箱常用磷酸锂铁电池热失控预警气体检测传感器分析案例分享

磷酸铁锂储能电池在故障时易发生热失控，产生大量可燃易爆气体，引发起火和爆炸。利用传感器对电池热失控进行监测，是避免储能电池事故蔓延扩大的有效手段。

“碳达峰、碳中和”需大力发展风电、光伏等可再生能源。风电、光伏波动性强，需配置储能，支撑新型电力系统安全运行。储能能够为电网运行提供调峰、调频、备用、需求响应支撑等多种服务，是提升传统电力系统灵活性、经济性和安全性的重要手段。

锂离子电池储能是重要的储能技术之一，2023年其装机规模达43GW，较2022年增长超150%，占新型储能装机量的97%以上。

目前储能锂离子电池主要采用磷酸铁锂方形铝壳电池。磷酸铁锂电池在热、电、机械等滥用条件下易诱发电池内部链式放热反应，形成 “热量-温度-反应”正反馈回路，导致电池热失控，引发火灾和燃爆事故。

2017 年以来，全球发生近百起锂离子电池储能站火灾。锂离子电池热失 控安全是储能领域迫切需要解决的国内外难题。 

电池热失控时，电池壳体由于内部压力增大而形变破裂，造成电池中的电解液气化泄漏，同时电池内部发生的热失控反应产生大量热量、气体和烟雾。气体和烟雾中的可燃物质在高温或电火花的引燃作用下，极易起火和爆炸。及时利用传感器监测电池热失控的特征气体体积分数、烟雾质量分数、温度、压力等关键参数并进行预警，是避免储能电池事故蔓延扩大的有效手段。磷酸铁锂电池热失控产生的易燃易爆气体包括H2、CO和小分子烃类物质等，集中在电池热失控前后的这些气体传感器都适合用于热失控的监测。

主要泄漏气体

国内外多家机构对锂离子电池在过热、过充条件下的热失控产气特性开展了研究，总结了锂离子电池热失控产气原理。

CO2 主要产生于电解质界面膜(SEI)的分解，以及活性锂和电解液的反应；

CO 主要产生于CO2和活性锂的还原反应，以及CO2与碳酸酯电解液的还原反应；

H2主要产生于锂和聚偏二氟乙烯粘结剂(PVDF)、羟甲基纤维素钠(CMC)的反应 ；

CH4、C2H4、C2H6 来源于锂和电解液二乙基碳酸酯(DMC)、碳酸乙烯酯(EC)、二乙基碳酸(DEC)等的反应。

值得一提的是，电池热失控时，产生量最多的气体是CO2 。CO2主要是相对惰性的气体，且空气中CO2背景浓度高，目前主要用红外光学传感器进行探测，相对成本高、体积较大，因此与后3种传感器相比，CO2 传感器在探测磷酸铁锂电池热失控气体方面没有明显优势。

目前研究较多的锂离子电池热失控预警策略是监测H2、CO、挥发性有机化合物(VOC）等气体，在浓度超过一定值后进行热失控预警，再辅助以传统消防常用的温度和烟雾来判定电池火灾的发生，实现多级预警。

监测热失控气体所用的传感器是一大关键。目前电池热失控监测所用的H2、CO传感器的探测原理主要分为电化学、半导体、催化燃烧和热导型 4 种。

电化学型传感器的探测原理是气体在探测器电极表面发生反应，电极的电势随着气体体积分数的变化随之发生变化，产生的电流与气体体积分数成线性关系，进而实现表征气体的体积分数。

半导体式气体传感器的原理是当检测环境中存在H2等还原性气体时，还原性气体与吸附在表面的氧发生化学反应，使得传感器的表面电位改变，进而降低传感器的电阻值，实现气体的体积分数探测。

催化燃烧型浓度传感器的原理是利用可燃气体与氧气在催化剂条件下发生反应并释放热量，导致测试元件发热，根据换热量计算出可燃气体的体积分数。

热导型传感器是通过气体吸附在金属氧化物半导体表面，引起热传导和电传导变化来进行探测，它以半导体金属氧化物为气敏材料，其结构和测试电路与催化燃烧气敏元件相同。

目前行业所用的热失控气体探测传感器的探测原理不同，精度、寿命和经济性也都有显著区别。比如，对于H2传感器，半导体式的H2传感器成本低、寿命长，但是选择性和抗干扰性能差，基线易飘移；电化学类H2传感器灵敏度高， 选择性和抗干扰性能好，但是寿命较短、成本较高；热导型H2传感器寿命较长，但目前只能测试高浓度H2，对低浓度H2灵敏度较低。

因此探究不同探测原理传感器对锂离子电池热失控监测性能的有效性以及传感器布置的位置、明火等对电池热失控气体的产生和探测所产生的影响，对传感器实现高效可靠的检测锂电池热失控是非常有帮助。

选择性能好的传感器是提升电池热失控监测预警有效性的关键。电池热失控探测需要灵敏度和准确度高、稳定性强、经济性好的传感器。同时， 储能系统的运行时长达10年以上，更换传感器给系统运维增加了很大工作量，因此还需要传感器寿命长。

相对于H2传感器，对于CO检测的传感器相对成熟，特别是电化学CO传感器灵敏度高，寿命较长，成本合适。

因此在综合对比可靠性、选择性、响应时间、成本以及性价比之后，可以看出一款长寿命电化学CO传感器对锂电池储能预警探测非常重要。

慧闻科技作为一家创新型智能传感综合服务商，围绕储能安全开发了多种可用于锂电池热失控安全检测的传感器产品，主要用于检测锂电池热失控发生时产生的目标特征气体。如长寿命电化学一氧化碳（CO）气体传感器SEP1003，具备高效的CO探测能力，检测精度高、使用寿命长；H2催化燃烧气体传感器SRO1012，具有良好的稳定性、可靠性和精度，可用于检测不同场景中的氢气体浓度等。

慧闻科技还可以提供压力传感器、可燃气体传感器、烟雾粉尘传感器、温度传感器、电化学模组等多种可用于电池安全的传感器检测方案。

慧闻科技自主研发的锂离子电池箱复合型火灾预警装置BSP1000，是一款专业用于锂电池储能安全的预警监测模块，可以应用于锂电池热失控火灾早期预警及火灾发生期紧急报警。探测装置具有气体、温度、烟雾探测报警功能，能实时监测锂电池箱内的电解液气体、燃烧特征气体、烟雾、温度等参数的变化，通过多传感器数据融合算法判断是否有火灾隐患或者已经发生火灾，并发出分级报警信息。

随着物联网、大数据、人工智能等技术飞速发展，传感器在锂电池生产应用的管理运行也越来越广泛，物联网传感器监测和人工智能算法可在工作过程中高效精准地实时评估安全风险，保证锂电池在储能应用等领域的安全运行。