煤矿在用大容量锂离子蓄电池安全性分析及管理措施

姚 源

（安标国家矿用产品安全标志中心有限公司，北京100013）

锂离子蓄电池（以下简称锂电池）具有能量密度高、放电特性平稳、无记忆效应、循环寿命长等诸多优点，在我国交通运输、电力储能等领域被广泛应用[1]。由于锂电池属于高能、有机化学电池，当生产过程中存在缺陷或者误用滥用时，就有发生电解液泄放、着火，甚至爆炸的可能[2]，业界也普遍认为随着锂电池应用范围的扩大，其发生事故的风险也加速增加[3]，在航空等特殊领域也有严格限制[4-5]，因此锂电池的安全一直是各方关注焦点。

在煤矿领域应用中，自2013 年以来，单体电池额定容量超过10 Ah 的大容量锂电池逐步开始在监测通信系统、电动无轨胶轮车等矿用装备中应用，截至2018 年，煤矿井下使用的大容量锂电池的生产企业有13 家，应用于100 多个不同类型的矿用装备中，常用容量为20、60、100 Ah，其中60 Ah 应用最多，占比接近60%。近年来，随着国家大力推进煤矿开采的超产高效、无人少人化，大功率、智能化的机器人装备发展速度加快，大容量锂电池的应用也越来越广[6-8]。

为提高使用安全性，在矿用产品安全标志准入过程中对锂电池的应用提出了严格要求，包括仅能使用磷酸铁锂电池、必须进行针刺/挤压/热冲击等试验、容量不得超过100 Ah、同一隔爆外壳内只允许串联、必须配备电池管理系统等，但仍有安全问题发生。研究认为，除了锂电池的生产制造技术需要持续完善提高外，与使用中的维护管理及锂电池安全性能随使用时间劣化的时间效应有直接关系[9-10]。为保障锂电池在井下的使用安全，在对井下锂电池使用与管理现状系统调研的基础上，对在用锂电池安全性随使用时间的劣化规律开展试验研究，并提出了对策措施建议。

1 煤矿用大容量锂电池应用与管理现状

赴内蒙、陕西、山西、安徽等地调研发现，大容量锂电池较集中的应用于监测通信系统后备电源及辅助运输设备动力电源2 个方面，在井下的应用安全缺乏相应的管理手段，安全性及充放电管理工作也尚未引起足够重视。

1.1 监测通信系统后备电源

目前监测通信系统后备电源选用的大容量锂电池均为安全性能较好的磷酸铁锂电池，供电方式以单体电池或4 只、6 只、8 只电池串联为主，接近50%的设备采用的是容量为40 Ah 锂电池，此类容量的单体电池总数约占应用总数的72.81%，总容量约占69.07%。

电源均可实现电池电量低于设定值时自动充电，多支电池串联供电的电源均具备放电均衡功能，均具备电池管理系统基本功能。只有约15.84%的设备可以进行远程主动充放电维护保养工作，且仅能获取基本信息，缺乏电池长期浮充条件下容量衰减与电池健康状况的判别，充放电记录也暂时无法调取。

另外，缺乏远程控制手段的电源，仅能在人工巡检时通过电源本身的报警显示才能发现电源的故障，维护过程更难以实现对电池进行周期性深度充放电的保养作业。此类后备电源使用均不超过3.5年，使用一段时间的后备电源的实际续航能力约为新电源的80%。

1.2 辅助运输用动力电源

煤矿井下采用锂电池为动力的辅助运输设备主要为矿用防爆锂电池蓄电池无轨胶轮车、防爆锂电池蓄电池单轨吊与防爆锂电池蓄电池电机车。作为辅助运输设备的动力电源，需求的一致性使锂电池的使用特点也较为统一。以电动无轨胶轮车为例进行分析。

1）应用管理情况。截至2018 年10 月，井下在用或试用的电动无轨胶轮车共有超过170 辆，包括材料运输车和人员运输车，车辆最早投入使用时间为2014 年，累计运行里程最高为320 000 km。在单体电池容量方面，主要选择了86 Ah 和100 Ah 2 种磷酸铁锂电池，包括64 支、100 支串联使用，电池管理系统也都具备车辆监测所需功能，部分车辆可以回传电池维护数据至厂家，供厂家维护保养参考。从调研数据反馈情况来看，所有车辆在使用一段时间后，续航里程较新车相比均有不同程度的下降，下降幅度小的大约为7%左右，下降幅度最大的大约为32%，仅能达到原有续航能力的68%。

2）锂电池应用数据。从调研现场采集了某型号电动无轨胶轮车动力电源同一电池组中64 支锂电池约4 个月的单体电池运行参数进行分析。从电池的电压数据来看，充放电过程中出现57 次单体电池过充及42 次单体电池过放电情况。详细分析典型的一次过充电的过程数据，可以发现该组64 支单体电池中有59 支都发生了过充，过充率超过92%，且过充时间长达3 min，最高单体过充电压接近4.3 V，最大电压的单体电池与最小电压的单体电池压差达0.85 V，电池容量明显不一致。这可能是由于使用一段时间后，电池一致性较差，导致电池管理系统未能即刻判定过充现象，过放电的原因也基本类似。分析结果表明，即使在型式检验中电池理系统的功能都已经通过试验，但实际投入使用时故障还是时有发生，故障严重程度也较为不可控制。

2 煤矿在用锂电池安全性分析

为研究煤矿在用锂电池安全性能劣化效应及规律，在煤矿现场抽取了使用2 年的防爆锂电池后备电源中配备的同一批60 Ah 磷酸铁锂电池进行试验，同时选取一批同规格的新电池进行对比分析；抽取了1 台运行使用3 年的后备电源中的电池管理系统测试5 个参数的检测精度，并将测试数据与安标新产品认证时的数据对比，对其功能变化开展了相关研究。

2.1 在用大容量锂电池安全性试验分析

1）容量衰减分析。以5 A 充电、12.5 A 放电、充放电电压区间2.5～3.65 V 循环20 次，每次循环后测定其容量值，进行对比分析。3 支新电池的首次放电平均容量为59.7 Ah，在开始几次内因电池活化放电容量略有提升，随后保持稳定，放电容量保持率为100%；3 支旧电池首次放电平均容量为56.5 Ah，20 次循环后平均放电容量衰减至55.6 Ah，放电容量保持率为98.7%。新旧矿用大容量锂电池相比，旧电池的平均放电容量衰减为新电池的94.1%，旧电池出现了容量加速衰减加速的现象。

2）EIS 交流阻抗图谱分析。对于满电态的新、旧矿用大容量锂电池的进行EIS 交流阻抗图谱分析。计算得新电池的欧姆内阻为9.87 mΩ、电荷转移阻抗为0.24 mΩ，旧电池的欧姆内阻为26.12 mΩ、电荷转移阻抗为0.91 mΩ。大量研究数据表明，锂电池安全性与电池内阻变化关系密切，这说明单体旧电池出现了严重的老化状态，安全性急剧下降。

3）热失控扩展试验分析。热失控扩展试验常用来分析锂电池的安全性能。对满电状态的新、旧电池进行热失控扩展试验，以1 C 电流过充10 min，随后用500 W 功率的加热片加热5 min。试验过程中新电池除有轻微鼓胀、加热片所在位置电池壳有融化外，并无明显其他变化；旧电池试验过程中不仅出现了电池鼓胀、加热片所在位置电池壳融化现象，还发生了漏液、冒烟的现象。旧电池虽未发生爆炸，但与新电池相比，其抵御高温恶劣环境的安全性能已有较大程度降低。

4）挤压试验分析。对满电状态的新、旧电池进行挤压试验，挤压至形变量30%；新电池挤压后电池壳体破裂，出现漏液，没有发生燃烧、爆炸的现象。旧电池挤压后电池壳体破裂，出现漏液，同样没有发生燃烧、爆炸的现象，但电池出现冒烟现象，说明旧电池挤压所产生的热量高于新电池，抵御机械冲击的安全性比新电池差。由于窄边挤压的试验条件更严酷，对比电池使用一段时间后的安全性差异的结果也更为明显，对充满电的全新电池和进行过500 次充放电循环电池的窄边进行挤压对比试验。试验过程中新电池仅出现冒烟现象，但循环后的电池已经起火，说明循环后的旧电池抗机械冲击性能也有明显下降。

从这4 项试验来看，在用锂电池无论在内部安全性还是外部安全性上都已经产生了较大降低，使用一段时间的锂电池确实存在隐患。

2.2 在用防爆锂电池电源管理系统可靠性分析

对抽取的防爆锂电池后备电源，根据《矿用隔爆（兼本安）型锂离子蓄电池电源安全技术要求》的规定，进行5 项参数测量精度测试，并将测试数据与安标新产品认证时的数据对比，锂电池电源参数测量精度对比见表1。通过分析发现，矿上抽回样品的单体电池电压值测量精度、电池组电压精度、容量测量精度远低于型式试验，且不满足初始要求，电池组电流、单体电池温度精度虽能满足要求，但也远低于新产品。

表1 锂电池电源参数测量精度对比Table 1 Measuring accuracy contrast of Li-ion battery supply before and after use

由于矿用锂电池及防爆电源使用环境条件远比地面条件恶劣，且维护保养难度大，所以在用锂电池的电性能、电池管理系统的检测精度都发生了不同程度的衰减，使用安全性明显下降，在长期使用过程中确实存在发生事故的风险。

3 安全管理措施建议

1）持续保障和提高锂电池的制造水平及应用技术水平。既然锂电池存在安全性能劣化的时间效应，那么新产品的现有安全要求不仅不能降低，反而应持续提高，应对生产、检验要进行严格把控，用电设备的在锂电池的选型方面也应当进一步强化一致性，强化串并联的限制；同时，应提升应急处置措施，如在机器人用锂电池电源已提出增加高效灭火措施，一旦电池发生热失控起火可快速高效灭火，从源头上不断提高锂电池电源的安全性。

2）提高对锂电池安全性能的检验要求。由于井下用锂电池的更换较地面相比更不便捷，且从试验结果来看，多次循环后锂电池及其电源的安全保障性能下降明显。为降低井下应用锂电池发生火灾的风险，煤矿用锂电池建议新产品的型式试验中应当增加500 次循环后的安全性测试，甚至可以根据使用寿命，提升至1 000 次到2 000 次后的安全性能测试，目前在军工的部分领域中，已经用到了这样更严格的标准。同时，锂电池电源也应当在型式试验中增加一段模拟实际使用状态后的性能测试，以提高锂电池及设备整体的可靠性。

3）细化锂电池使用的维护管理要求。由于锂电池充放电管理、维护保养都有诸多特殊要求，误用滥用存在造成的安全事故的可能性，建议国家、行业和企业分级建立相关的安全使用管理要求，防止过充过放情况的发生，帮助建立用户的良好使用习惯；同时，严格控制锂电池的使用寿命，在安全的前提下，最大程度的发挥锂电池性能。

4）加快研发电池管理系统相关功能。科学合理的维护和监测使用是矿用锂电池应用安全的基本保障，电池管理系统是维护与监测矿用锂电池的基本手段，电池管理系统不仅要能实现日常电池状态的监测与管理，在热失控的早期能提前发现电池异常并及时报警，同时针对如监控系统后备电源等特殊用途的矿用设备，还应进一步增设定期维护、巡检、调校、测试等功能，为井下设备供电电源精准配置提供支持，避免形成新的危险因素。

4 结 语

深入调研了大容量锂电池在煤矿安全监控系统、防爆无轨运输车辆等重要装备中的使用现状，现场采集并分析在用锂电池的运行信息，选取典型电池样品分别开展容量衰减、EIS 交流阻抗图谱分析、热失控扩展与安全性测试等比对试验，发现在用锂电池及电源的安全性会有明显降低。综合分析使用情况与试验分析结果，提出保障大容量锂电池在煤矿井下安全使用的对策措施。