Page 84 - 电力与能源2023年第三期

278 徐立波，等：变电站钛酸锂电池并联直流电源系统消防方案研究

钛酸锂电池在能量密度、循环次数、充放电速率、 材料为锰酸锂、三元材料、磷酸铁锂、钴酸锂中的
低温特性等各项性能指标上也大幅优于铅酸蓄电 一种或几种，负极材料为钛酸锂（Li 4Ti 5O 12 ） 。与
［6］
池，是一种可行的变电站直流电源系统后备电源 其他采用石墨作为负极材料的锂离子电池相比，
储能器件替代方案。 钛酸锂电池具有安全性高、充放电倍率高、低温性
近年来，许多学者对钛酸锂电池的安全性能 能好、循环寿命长和荷电状态（SOC）范围宽等 5
和消防措施开展研究。文献［6］分析了几种不同 大优势。

钛酸锂体系锂离子电池国内外研究现状及应用 1.2 钛酸锂电池与铅酸电池的对比
前景，提出其是高倍率、长寿命锂离子电池负极 钛酸锂电池与铅酸蓄电池的参数对比情况如
材料的首选。文献［7］提出钛酸锂材料因同时具 表 1 所示。与常规阀控式密封铅酸蓄电池相比，
有高安全性和高倍率性能，具备作为军用锂电池 钛酸锂电池在比能量、环保性能、循环次数和充放
负极材料的潜力。文献［8］以商用钛酸锂电池为 电倍率等方面具有显著优势。钛酸锂电池具备本
研究对象，对其进行外部短路、过充、针刺、加热 质安全性能，其在直流电源系统中的可靠性有待
和火焰共 5 项安全性能测试，结果表明钛酸锂电 工程实践加以验证。钛酸锂电池的劣势是价格较

池 具 备 非 常 优 异 的 安 全 性 能 。 文 献［9］利 用 过 高，限制了其在变电站的推广应用。
充、针刺、加热等方式对钛酸锂电池进行了热失 1.3 钛酸锂电池应用于变电站的适用性
控触发的试验研究，结果表明钛酸锂电池在极端 变电站直流电源系统后备电池需优先考虑安
过充和持续加热情况下会引发电池热失控。文 全性。磷酸铁锂和三元锂电池的安全性显著低于
献［10］表明钛酸锂电池在电滥用时会出现热失 阀控铅酸蓄电池，限制了这两种电池在变电站直
控，提出了使用全氟己酮抑制剂在电池爆喷前对 流电源系统的应用。钛酸锂电池的安全性可与阀
使 用 空 间 进 行 惰 化 的 解 决 思 路 ，并 通 过 实 体 试 控铅酸蓄电池相媲美，在外部短路、过充、针刺、加
验，验证了提前释放抑制剂可有效抑制电池组的 热和火焰等试验中，钛酸锂电池都能经受住考验，
［8］
热失控扩展。 不会发生起火和爆炸 。
上述文献表明钛酸锂电池具有很高的安全 钛酸锂电池的低温特性好，对于处于寒冷地
性，但在极端情况还是会出现热失控情况。考虑 区的变电站具有很好的环境适应性。钛酸锂电池
到变电站通常采用无人值班的运维方式，为进一 的比能量是阀控铅酸电池的 2 倍，在相同电量下
步提升钛酸锂电池在变电站直流电源系统应用的 显著减轻电池荷载质量。此外，钛酸锂电池的循
安全性，提出一种适用于变电站场景的直流电源 环寿命、日历寿命均显著高于阀控铅酸电池，可减
系统全氟己酮自动灭火系统消防方案。 少后期电池更换频次。
钛酸锂电池主要存在以下两个缺点。
1 钛酸锂电池的特点与应用
（1）钛 酸 锂 电 池 价 格 较 为 昂 贵 ，约 为 磷 酸

1.1 钛酸锂电池的特点 铁 锂 电 池 的 2 倍。当钛酸锂电池市场容量扩大
钛酸锂电池作为锂离子电池的一种，其正极 产生规模效应后，钛酸锂电池的价格水平预计会
表 1 钛酸锂电池与铅酸蓄电池参数对比
参数 钛酸锂电池 铅酸蓄电池 钛酸锂电池特点分析
-1
比能量/（Wh·kg ） 80~100 40~50 比能量约为铅酸电池的两倍，能量密度更高
环保性能 不含重金属，污染较小 含重金属铅，污染较大 不产生重金属污染
循环次数 约 20 000 次 约 400 次 循环次数是铅酸蓄电池的 50 倍
（0.1C 充放电）
充放电倍率 充放电电流大（1~6 C），速度快 一般以 0.1 C 充放电，速度慢 可减少电池核容时间，提升效率
具有本质安全性，在直流电源系统 在直流电源系统中应用成
安全可靠性 正常使用下，安全性能可与铅酸蓄电池相媲美
中的可靠性有待工程验证 熟，安全可靠性高
-1
价格/（元·Wh ） 5.0 0.6 市场容量较小，价格较高