钠硫电池安全性影响因素分析

58上海电气技术2021.14(1)钠硫电池安全性影响因素分析陈福平曾乐才上海电气集团股份有限公司中央研究院

上海

200070摘

要：为了提高钠硫电池的安全性•从单体电池结构、成组技术、安全防护、监测控制四个方面对

钠硫电池安全性的影响因素进行了分析。分析结果表明•通过增加安全管来优化单体纳硫电池的结构.

能够使单体钠硫电池在发生0氧化铝陶瓷管破损的极端情况下外观完好•无活性物质泄漏。应用云母

防火、干沙吸收、分区隔离等成组技术•可以进一步提高钠硫电池的安全性。对钠硫电池保温箱进行自

由跌落试验、面倾跌试验、角倾跌试验、翻倒试验、地震试验，确认钠硫电池保温箱能够承受误操作和突

发灾害等造成的损坏。通过电池管理系统对钠硫电池的温度、电压、电流进行实时监测与控制•是确保

钠硫电池安全稳定运行的关键因素。关键词：钠硫电池；安全性；分析中图分类号：TM912.

9

文献标志码：A

文章编号：1674

-

540X(2021

)01

-

058

-

05Abstract:

In

order

to

improve

the

safety

of

the

sodium-sulfur

battery,

the

factors

affecting

the

safety

of

the

sodium-sulfur

battery

were

analyzed

from

four

aspects

single

battery

structure,

group

technology^

safety

protection,

and

monitoring

control.

The

analysis

results

show

that

by

adding

a

safety

tube

to

optimize

the

structure

of

a

single

sodium-sulfur

battery,

the

single

soclium-sulfur

battery

can

have

a

good

appearance

and

no

active

material

leakage

under

extreme

damage

conditions

of

beta

alumina

ceramic

tube・

The

application

of

group

technologies

such

as

mica

fire

prevention,

dry

sand

absorption・

and

partition isolation

can

further

improve

the

safety

of

the

sodium-sulfur

battery.

Through

free

drop

test

・

face

drop

test,

angular

drop

test,

tip-over

test,

earth(iuake

test.

it

confirms

that

the

sodium-sulfur

battery

cooler

box

can

withstand

the

damage

caused

by

mis-operation

and

sudden

disasters.

Real-time

monitoring

and

control

of

the

temperature・

voltage・

and

current

of

the

soclium-sulfur

battery

through

the

battery

management

system

is

a

key

factor

to

ensure

the

safe

and

stable

operation

of

the

sodium-sulfur

ds：

Sodium-sulfur

Battery；

Safety;

Analyses1分析背景钠硫电池可用于应急电源、可再生能源等的稳

定输岀，能够削峰填谷.提高电力质量。钠硫电池在

事纳硫电池制造的企业.已经完成2

MW大容量钠

硫电池单体中试线建设.并实现了百T•瓦级纳硫电

池的示范应用.但距离钠硫电池的真正商业化应用

还较远。应用过程中可能发生失效.钠硫电池储能电站也可

能产生损坏.安全是钠硫电池领域需要重点考虑的

问题之一。为了推进钠硫电池的商业化应用.需要提高钠

硫电池的安全性.笔者通过试验.从单体结构、成组

技术、安全防护、监测控制等方面对纳硫电池安全性

的影响因素进行分析。上海电气钠硫储能技术有限公司是国内专业从

收稿时间:2020-11第一作专简介：陈福平（1981

）.易.顶士.工程师.主要从事储能材料技术研兗工作.E-mail:

***************

2021,14(1)上海电气技术592日本案例2011年9月21日，日本碍子株式会社为东京

电力株式会社制造的储能电站失火，事后调查显示

造成此次火灾的原因是一节纳硫电池发生泄漏.高

温熔融物质使纳硫电池模块内部相连区块之间产生

短路，由于没有安装熔断设备，短路电流持续存在并

损坏了其它纳硫电池，最终引燃相连纳硫电池模块，

造成储能电站失火。此次火灾事故后，日本碍子株式会社对钠硫电

池模块在安全性方面进行了如下改进：（1）

在纳硫电池之间增加熔断设备，防止电池

发生短路引发火灾；（2）

在纳硫电池组之间增加绝缘板.阻止电池

泄漏产生的熔融物引发短路；（3）

在储能电站堆仓的纳硫电池模块之间增加

防火板；（4）

加强监控系统快速探测火灾的能力；（5）

加强消防设施建设。由本次火灾事故可以看到.即便是具有多年钠硫

电池商业化应用经验的日本碍子株式会社.也曾经在

钠硫电池设计方面存在纟比漏,进而造成安全事故。3试验过程（1）

选用两节单体钠硫电池进行温升试验，分

析单体结构对纳硫电池安全性的影响。其中一节为

具有安全管结构的单体纳硫电池，另一节为没有安

全管结构的单体纳硫电池，两节单体纳硫电池均在

B氧化铝陶瓷管上预制了裂纹。（2）

选用42节单体钠硫电池，组装成钠硫电池

组，分析成组技术对钠硫电池安全性的影响。42节

单体纳硫电池均没有安全管结构，其中一节单体纳

硫电池在B氧化铝陶瓷管上预制了裂纹。（3）

选用一个装满42节单体钠硫电池的保温

箱，进行自由跌落试验、面倾跌试验、角倾跌试验、翻

倒试验、地震试验，分析保温箱的安全防护性能。42

节单体纳硫电池均具有安全管结构。（4）

选用一节单体钠硫电池，模拟电池管理系

统故障导致钠硫电池损坏，这一节单体纳硫电池具

有安全管结构。4单体结构分析钠和硫的反应产物为多硫化钠，钠硫二元相图

如图

1

所ZK。由图

1

可知.NazSs

^Na2S|

,NaS,Na2S

的熔点依次为258

°C,

285

°C

375

°C

.978

°C。由此

可见.单体纳硫电池结构设计的关键是当（3氧化铝

陶瓷管发生破碎时能够控制参与反应的钠和硫的

量，使生成的高熔点NaS、Na?S在（3氧化铝陶瓷管

破碎处凝固，阻止钠和硫继续发生反应，进而控制产

生的热量和温度•避免影响电池组及储能电站安全

运行。图1硫钠二元相图对两节在0氧化铝陶瓷管上预制了裂纹的单体

纳硫电池进行温升试验，单体纳硫电池a具有安全

管结构，单体纳硫电池b没有安全管结构。温升试

验结果如图2所示。由图2可见，单体纳硫电池a

外观完好，没有产生活性物质泄漏，单体纳硫电池b

则已烧毁。单体纳硫电池b烧毁的主要原因是温升试验过

程中，当纳硫电池正极硫和负极钠都熔化时，液态钠

和液态硫在预制裂纹处直接接触.并发生剧烈反应，

放出大量热.单体纳硫电池外壳被熔化。单体纳硫

电池a外观完好，未见明显损坏，原因是负极储钠管

和0氧化铝陶瓷管之间有安全管结构。安全管结构

能够显著减少间隙中钠的量.使温升试验过程中仅

有少量液态钠和液态硫在预制裂纹处发生反应，产

生的高熔点NaS和Na2S在（3氧化铝陶瓷管破碎处

凝固，反应被阻止，钠硫电池的安全性由此得到提

高。具有安全管结构的纳硫电池如图3所示。5成组技术分析将42节单体钠硫电池通过一定的串并联方式

组装为钠硫电池组，进行温升试验。42节单体纳硫

电池均没有安全管结构，并且其中一节单体纳硫电

池在B氧化铝陶瓷管上预制了裂纹。如图4所示，

60上海电气技术2021.14(1)在每一节单体纳硫电池外部包裹防火云母套管。单

硫电池的间隙和单体纳硫电池上部填充的干燥黄沙

吸收了泄漏的高温熔融物质•阻止了火势蔓延。纳

体纳硫电池之间和单体纳硫电池上部均填充有十燥

黄沙。硫电池组可以设计分为若干区域•每个区域由不锈

钢内胆和防火云母板隔开.不锈钢内胆和防火云母

板可以进一步阻止纳硫电池泄漏的高温熔融物质在

纳硫电池组内部自由流动.防止发生短路。□单体钠硫电池/防火云母套管(a)单体纳硫电池a图4包裹防火云母套管的钠硫电池(b)单体纳硫电池b图2单体纳硫电池温升试验结果图5纳硫电池组温升试验前情况图3具有安全管结构的纳硫电池纳硫电池组温升试验前情况如图5所示.温升

试验结果如图6所示。由图6可见.在p氧化铝陶

瓷管上预制了裂纹的单体纳硫电池烧毁.其它纳硫

电池外观完好•基本未受到影响。试验结果表明.防

图6

纳硫电池组温升试验结果6安全防护分析钠硫电池的保温箱由箱体和箱盖两部分组成.火云母套管可以起到较好的隔离作用.并且单体纳

2021.14(1)上海电气技术61箱体和箱盖均采用钢板焊接而成，具有较高的机械

强度和安全防护性能。选用一个装满42节单体钠

硫电池的保温箱.进行自由跌落试验、面倾跌试验、

角倾跌试验、翻倒试验、地震试验，试验中42节单体

纳硫电池均具有安全管结构。钠硫电池保温箱自由跌落试验如图7所示，面

倾跌试验如图8所示，角倾跌试验如图9所示.翻倒

试验如图10所示。试验结束后.除保温箱箱盖螺纹

孔处出现裂纹外，保温箱无严重损坏.内部单体纳硫

电池也无严重损坏。图7钠硫电池保温箱自由跌落试验图8纳硫电池保温箱面倾跌试验图9纳硫电池保温箱角倾跌试验钠硫电池保温箱地震试验如图11所示。地震

试验条件采用GR-63-CORE—2006标准中的区域3

条件，里氏等级为6.

3〜7.0.修订的麦卡利烈度为

恥IX

.频率0.

3

Hz对应加速度0.

2g,频率0.

6

Hz

对应加速度2g,频率1

Hz和5

Hz对应加速度3g,

频率15

Hz和50

Hz对应重力加速度g。试验结束

后对保温箱外观进行检查，未发现异常。图10纳硫电池保温箱翻倒试验(a)横向安装(b)纵向安装(c)垂向安装图11钠硫电池保温箱地震试验以上试验结果表明钠硫电池保温箱能够承受运

输、安装、使用过程中可能受到的由误操作和突发灾

害等造成的意外损坏，满足安全防护要求。

62上海电气技术2021.11(1)7监测控制分析选用一节具有安全管结构的单体钠硫电池模拟

母套管、填充干燥黄沙、分区隔离等方法•可以进一

步降低钠硫电池损坏的风险。通过自由跌落试验、

面倾跌试验、角倾跌试验、翻倒试验、地震试验.证明

钠硫电池保温箱能够抵御误操作和突发灾害等造成

电池管理系统故障导致钠硫电池损坏的试验，试验

结果如图12所示。由图12可见.充电约3

190

s时

的损坏。通过电池管理系统对钠硫电池的温度、电

压、电流进行实时监测和控制.能够确保钠硫电池安

全稳定运行。电池管理系统发生故障.此不能实时采集单体纳硫

电池的电压.最终在约12

900

s时单体纳硫电池因

过充电而烧毁.纳硫电池温度最高达378

°C。参考文献[1

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管之间增加安全管的方法.能够使单体钠硫电池在

B氧化铝陶瓷管发生破碎的极端情况下外观完好.

无活性物质泄漏。在成组设计时•采用设置防火云

机学院学报.2011.14(3):146

-

151.(编辑：启德)上海电气(集团)总公司主管、主办

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