王一帆，朱清峰，祝 華，劉寶慶（.中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007；.中國聯(lián)通上海分公司，上海 00000）

1 概述

2020 年發(fā)布的《國務(wù)院政府工作報告》提出將重點支持“兩新一重”（新型基礎(chǔ)設(shè)施，新型城鎮(zhèn)化，交通、水利等重大工程）建設(shè)［1］，其中新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)包括5G基站建設(shè)、大數(shù)據(jù)中心建設(shè)等通信局（站）的建設(shè)。電源基礎(chǔ)設(shè)施屬于通信局（站）的基石，供電安全是通信電源技術(shù)研究的永恒主題。影響供電安全的因素較多，本文從通信備電的角度對供電安全進行探討。

通信備電應(yīng)用最廣泛的是蓄電池備電，蓄電池應(yīng)用場景可分為通信局房和通信基站兩大類。通信局房按局址內(nèi)安裝的通信設(shè)備的重要性進行區(qū)分，包括數(shù)據(jù)中心、省級樞紐局房、省級核心局房、核心節(jié)點局房、匯聚局房和綜合業(yè)務(wù)接入點6種場景；通信基站按建設(shè)形式進行區(qū)分，包括室內(nèi)型基站和室外型基站2種場景。目前鋰離子電池憑借其能量密度高、體積小、充放電性能好等優(yōu)點已在通信基站尤其是室外型基站等場景下得到了大量應(yīng)用，但是局限于安全性問題，鋰離子電池僅在少部分作為試點的通信局房進行應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，在鋰電池的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的固態(tài)鋰電池技術(shù)已逐漸得到眾多行業(yè)的關(guān)注。2022 年8 月18 日，科技部等九部門印發(fā)《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（2022—2030 年）》提出研究固態(tài)鋰離子、鈉離子電池等更低成本、更安全、更長壽命、更高能量效率、不受資源約束的前沿儲能技術(shù)；2022年8 月25 日，工信部公開征求對《關(guān)于推動能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》的意見。在新型儲能方面提出開發(fā)安全經(jīng)濟的新型儲能電池，加快研發(fā)固態(tài)電池、鈉離子電池、氫儲能/燃料電池等新型電池。

隨著眾多國家政策的支持，目前已有部分固態(tài)鋰電池應(yīng)用于新能源汽車等行業(yè)，但其能否保證通信備電安全仍是一個未知數(shù)，故如何分析歸納固態(tài)鋰電池的安全性因素將對固態(tài)鋰電池在通信局（站）的應(yīng)用具有重要意義。固態(tài)鋰電池的安全性因素較多，但最主要的是熱失控問題，熱失控的誘因主要分為電池內(nèi)部因素和外部環(huán)境因素，本文將結(jié)合通信行業(yè)現(xiàn)狀，從誘發(fā)固態(tài)鋰電池熱失控的內(nèi)部因素和外部因素進行剖析，為固態(tài)鋰電池在通信行業(yè)的推廣應(yīng)用提供參考。

2 固態(tài)電池分類

固態(tài)電池是指采用固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池，在工作原理上，固態(tài)鋰電池和傳統(tǒng)鋰離子電池并無區(qū)別。傳統(tǒng)鋰離子電池的電解質(zhì)為液態(tài)的，通過鋰離子在電解質(zhì)中的遷移來完成正負極間的穿梭，從而實現(xiàn)電池的充放電功能，而固態(tài)鋰電池的電解質(zhì)為半固態(tài)或者全固態(tài)［2］。與傳統(tǒng)鋰電池相比，固態(tài)電池最突出的優(yōu)點是安全性［3］，固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)電池的核心，電解質(zhì)材料很大程度上決定了固態(tài)鋰電池的各項性能參數(shù)。

固態(tài)電解質(zhì)研究是儲能領(lǐng)域非常熱門的研究領(lǐng)域，報道的材料體系繁多，性能各異，目前最具市場化或商業(yè)化前景的固態(tài)電解質(zhì)材料主要有三大類：聚合物、無機氧化物以及硫化物［4］。各類固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)缺點如表1所示。

表1 各類固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)缺點

聚合物電解質(zhì)具有諸多獨特的優(yōu)勢，包括力學柔性、對電極材料的黏附性、對金屬鋰電極的穩(wěn)定性、易加工性以及低成本等，但其電導(dǎo)率低的缺點也是顯而易見的。若想提高聚合物電解質(zhì)的電導(dǎo)率，通常需要將環(huán)境溫度維持在60 ℃～70 ℃，但升溫后電池的溫度將距離熱失控溫度臨界點較近，存在一定的安全隱患。

氧化電解質(zhì)在25 ℃下離子導(dǎo)電率可超過10?4S/cm，且對空氣和水分相對穩(wěn)定、對電化學窗口寬、鋰負極兼容性強，被認為是最有吸引力的固態(tài)電解質(zhì)材料之一。制約氧化電解質(zhì)發(fā)展的重要因素是電解質(zhì)和電極之間的界面阻抗較大，界面反應(yīng)造成電池容量衰減。

硫化物電解質(zhì)25 ℃下離子導(dǎo)電率最高可達到1.2×10?2S/cm，因硫化物電解質(zhì)與鋰電極的界面穩(wěn)定性較差，研究難度相對較大，但同時開發(fā)潛力也是最大的。目前國內(nèi)硫化物電解質(zhì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展還有很大空間。

總體來說，目前最具潛力的固態(tài)電解質(zhì)材料有聚合物、硫化物和氧化物，其中聚合物電解質(zhì)、氧化物電解質(zhì)的半固態(tài)電池已經(jīng)進入商業(yè)化應(yīng)用階段，而全固態(tài)電池以及硫化物電解質(zhì)固態(tài)電池仍有一段路要走。本文就已商用的聚合物電解質(zhì)和氧化物電解質(zhì)半固態(tài)電池在通信行業(yè)的應(yīng)用進行分析。

3 通信機房供電模式及環(huán)境要求

為研究固態(tài)電池在通信行業(yè)的應(yīng)用，首先需要明確通信行業(yè)的供備電現(xiàn)狀，通信機房的供電模式主要分為集中式供電和分散式供電［5］。

集中式供電是將UPS 系統(tǒng)、開關(guān)電源系統(tǒng)、油機、蓄電池組等安裝在電力室和電池室，多個通信機房的電源都從電力室中的交流（或直流）配電屏中取得。按照集中式供電方式，蓄電池組單獨具備蓄電池室，蓄電池室環(huán)境要求見表2［6］。

表2 特殊通信機房環(huán)境要求

分散式供電是指把整流器、蓄電池組及相應(yīng)的配電單元都安裝在通信機房內(nèi)部，并直接向該通信機房供電。按照分散式供電方式，蓄電池組和通信機房共用一個機房，不同類型通信機房的環(huán)境要求如表3 所示。

表3 各類通信機房環(huán)境要求

除上述環(huán)境外，隨著5G 業(yè)務(wù)發(fā)展，部分基站電池掛靠室外。在此類環(huán)境下，蓄電池組的環(huán)境和室外環(huán)境保持一致，一般溫度范圍為?30 ℃～40 ℃。

綜上所述，無論采用何類供電方式，安裝在室內(nèi)機房中的蓄電池組的工作環(huán)境溫度都不超過30 ℃，而室外環(huán)境中蓄電池組的工作環(huán)境溫度有可能達到40 ℃。

通信局站的備電時長將直接影響其電池組的放電倍率，電池組放電倍率越大，其發(fā)熱越大，也將給電池的熱失控帶來一定的風險。通信機房、數(shù)據(jù)中心和基站的蓄電池組備電時長分別如表4、表5 和表6 所示［7?8］。

表4 通信機房蓄電池備電時長 單位：h

表5 數(shù)據(jù)中心蓄電池備電時長

分析表4、表5 和表6 可知，根據(jù)使用場景的不同，數(shù)據(jù)中心的備電時間一般為7 min～15 min，即電池放電倍率為4 C～9 C；通信機房的備電時間一般為0.5 h～4 h，即電池放電倍率為0.25 C～2 C；基站備電時間一般為0.5 h～5 h，即電池放電倍率為0.2 C～2 C。

表6 基站蓄電池備電時長 單位：h

4 熱失控分析

固態(tài)電池熱失控的誘因來源于2 個方面：一方面是電池材料以及生產(chǎn)工藝的問題；另一方面是電池應(yīng)用過程中的問題。電池材料中摻雜金屬雜質(zhì)和電池生產(chǎn)過程中的極片毛刺、正負極錯位、電解液分布不均、隔膜表面導(dǎo)電粉塵等都會給日后的應(yīng)用留下安全隱患。在電池應(yīng)用過程中熱失控的原因主要分為電濫用及熱濫用兩大類。

4.1 電濫用

電濫用主要是由電池的使用不當造成的，有外部短路、過度充電和過度放電幾種類型。

其中過度充電和過度放電的主要原因為電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）及其傳感器故障導(dǎo)致的測量信號不準或執(zhí)行器無動作等異常。在電池充、放電過程中，當電壓上升或下降至截止電壓時，若仍無法及時斷電，就會導(dǎo)致過度充電、過度放電情況的出現(xiàn)。

4.2 熱濫用

熱濫用主要指在電池中的局部過熱造成的熱失控，主要有以下幾部分原因。

a）大倍率充放電。在通信機房中，電池組在充電過程中，一般為0.1 C小倍率充電，在放電過程中，按照不同機房的備電要求，電池組的放電電流可能會達到4 C 甚至更高。這一方面需要警惕大倍率放電情況下的溫升問題，另一方面在電池組過度放電后，SEI 膜分解，極片受損，負極過放表面析出銅離子形成銅枝晶，隔膜孔隙間存在微短路現(xiàn)象。

b）局部過熱。

（a）對于聚合物電解質(zhì)固態(tài)電池，為增加其導(dǎo)電率，通常會提高工作環(huán)境溫度，但同時也將加大其熱失控的風險。

（b）當電池組在室外基站等場景下應(yīng)用時，因戶外環(huán)境溫度過高，電池組的熱失控風險增加。

（c）由于電池組是由多個電芯并聯(lián)或者串聯(lián)形成的，內(nèi)部各電芯布局不合理產(chǎn)生的散熱不均也將導(dǎo)致電池組熱失控。

5 固態(tài)電池熱失控防范思考

結(jié)合通信行業(yè)場景，固態(tài)電池在通信行業(yè)的應(yīng)用應(yīng)更關(guān)注以下幾點。

a）材料結(jié)構(gòu)改進。從電芯材料結(jié)構(gòu)上進行改造，從而使鋰電池具備更好的耐熱、散熱性能。以目前的研究熱點來說，對正負極材料進行結(jié)構(gòu)改造以及引入安全性更高的隔膜材料都是提升電池熱性能的主流方法之一。

b）固態(tài)電池放電倍率選擇。聚合物及氧化物電解質(zhì)固態(tài)電池由于電導(dǎo)率較低，從原理上其放電倍率略顯不足，故對于如數(shù)據(jù)中心等場景下的備電，可提高固態(tài)電池的容量來降低放電倍率，繼而降低因大電流放電導(dǎo)致的熱失控風險。

c）冷卻方式的提升。在應(yīng)用過程中，電力室或者機柜中的電池組被其他電池組包圍，電池組出現(xiàn)溫升后散熱條件不理想的情況。應(yīng)更有針對性地對電池組、電池室的散熱方式進行選擇，對散熱設(shè)計值進行復(fù)核計算等。

d）完善BMS 控制策略。BMS 在固態(tài)電池的全生命周期中起到不可或缺的作用，其采集、控制系統(tǒng)的可靠性以及控制策略的完備性關(guān)乎電池組的穩(wěn)定安全運行，應(yīng)充分考慮單電池組BMS 與電池組系統(tǒng)BMS的協(xié)調(diào)關(guān)系。

e）消防措施。引入多級消防防控措施，確保電池組、電池柜、電池室等多級消防聯(lián)動，同時針對不同級別的消防研究制定不同的消防策略。