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    鋰離子電池儲能發展 一手抓安全性能 一手抓標準規范

    2022-02-20

    日前,北京市豐臺區儲能電站起火爆炸事故調查報告發布。報告認為,南樓起火直接原因系西電池間內的磷酸鐵鋰電池發生內短路故障,引發電池熱失控起火。北樓爆炸直接原因為南樓電池間內的單體磷酸鐵鋰電池發生內短路故障,引發電池及電池模組熱失控擴散起火,事故產生的易燃易爆組分通過電纜溝進入北樓儲能室并擴散,與空氣混合形成爆炸性氣體,遇電氣火花發生爆炸。調查歷時半年之久,對事故的來龍去脈進行了科學嚴謹的分析并得出結論,對行業的健康持續發展具有深刻的借鑒和指導意義。

    今年4月14日,“儲能國際峰會暨展覽會(2021)”在北京國家會議中心隆重召開。作為中國儲能產業最權威的產業研究報告,《儲能產業研究白皮書2021》(以下簡稱白皮書)也在此次大會上公開發布。白皮書預計,“十四五”期間,我國的電化學儲能市場將正式跨入規?;l展階段。中國能源研究會理事長史玉波在會上表示,作為儲能的重要表現形式,電化學儲能具有設備機動性好、響應速度快、能量密度高和循環效率高等優勢,伴隨電化學成本凈增力的顯現,在可再生能源發展剛需下,電化學儲能將迎來快速發展。

    根據能量轉換方式,電化學儲能主要包括鋰離子電池儲能、鉛蓄電池儲能和液流電池儲能。其中,鋰離子電池具有循環特性好、響應速度快的特點,是目前電化學儲能中主要的儲能方式。一些對于電力供應要求有高質量且供應穩定的行業,例如醫院、銀行、指揮控制中心、通信基站等,大多使用鋰離子電池儲能作為應急UPS電源,保障供電的穩定性。但是鋰離子電池自身也有缺點,安全始終是鋰離子電池儲能行業發展的難點之一。同時,相關規程規范的缺失,也在加劇著鋰離子電池儲能行業的安全發展壓力。

    提高電池一致性

    降低事故風險

    “一般來講,導致鋰離子電池發生火災爆炸事故的直接原因是電池熱失控。造成熱失控,一方面是電芯內部本身有缺陷,例如電芯電壓不平衡,使用老化或者電芯內產生枝晶現象從而造成短路。由此,電池組本身的BMS(電池管理系統)、內部結構設計、電芯質量、工藝管理等都非常重要。另一方面,由外部撞擊產生放熱,也會導致熱失控?!比绻履茉磩撔聦嶒炇壹夹g總監黃峰表示,針對鋰離子電池熱失控的情況,目前國內主流的解決方法主要是從外部保護和內部改進兩個方面進行改進。外部保護主要是指系統方面的升級改進,內部改進是指提高電池自身安全性能。

    “安全預警和自動控制是提升電池安全性的兩個主要方面。目前,大多數安全技術是基于利用多種傳感器對鋰電池的環節數據進行采集及分析,依據一定的運行數字模型,對采集數據進行在線分析,判斷鋰電池出現熱失控風險的概率,從而自動觸發安全應對裝置及運營告警,控制熱失控影響,將電池火災風險降到最低?!秉S峰補充說,但從根本上講,鋰離子電池熱失控很難被預測。熱失控的根本原因在于電芯內部不均衡、不一致,這會導致性能劣化的電池更快地衰變,甚至直接失效;也有一部分會產生熱失控、燃燒和爆炸。這就意味著,如果電芯內的每一個微觀的電極材料顆粒、隔膜到宏觀的極片、殼體封裝都百分之百一致,那么所組成的電池組就會有更好的安全穩定性。并且這個衰變到短路的過程會十分緩慢,且給出的電壓信號不明顯。通常情況下,發生事故的電池,往往是在短短的幾分鐘之內就進入了熱失控。事故發生后,電池幾乎全毀,事故調查困難重重,技術人員往往無法追蹤,這也讓相關研究遇到了困難。

    “可以確定的是,提高電池一致性,是確保電池組安全性和可靠性的重要路徑。同時,提供外部保護的相關安全技術發展也能為預防事故發生爭取寶貴的時間。在預警技術方面,監測電池是否泄漏氣體的傳感器,至少能夠在電池發生事故前5分鐘進行有效預警;自毒化技術,在電池熱失控的前期,自身能夠釋放化學物質,使得電池內部鈍化,從而打斷熱失控的鏈條,避免事故發生?!秉S峰說。

    就如何提升電池安全性,寧德時代新能源科技股份有限公司高級工程師陳小波特別強調了電池安全防護的生命周期,“動力電池安全是系統工程,對電池的安全防護應該是全生命周期的。電池從開發設計到生產制造,到售后服務再到回收再生,都存在安全風險,要想辦法規避這些風險?!彼岢?,在產品設計層面,要提高安全閾值,電池包從設計環節就要做到防水、防火、防撞、防高壓漏電,同時做到高可靠性。注重制造過程的質量與安全管控,注重動力電池全生命周期的安全性,例如在早期階段,需要注意軟硬件故障及工藝、生產層面的問題;中期階段需要關注偶然性失效問題,例如電芯的膨脹、低壓連接件的老化、低壓線束老化等。最后,要加強售后維護、安全預警與產品的報廢處理。

    另外,電化學儲能電站設計合理性也很重要,要考慮到建設地周圍的溫度及氣候,同時保證變壓器、繼電器等關鍵配套設備的安裝和質量問題,這樣才能提升儲能電站整體安全環境,確保鋰離子電池儲能安全。

    標準規范跟上

    安全發展同步

    技術標準滯后已成為影響這一產業規范化發展的主要癥結。鋰電池儲能行業缺乏有效的引導政策和激勵措施,這可能導致項目上設計過于簡單、檢驗測試缺乏權威性統一性、電池安全存在隱患等問題。

    “目前,國內儲能安全的標準及相應規范還是比較滯后。發生事故必須把事故的真實原因找到,針對問題去提解決方案和整改措施。標準規范滯后的一部分,需要有關部門加緊研究和整改?!敝嘘P村儲能產業技術聯盟常務副理事長俞振華表示,從全球儲能產業發展狀況來看,鋰電由于在動力電池領域的廣泛應用,特性已被行業熟知,全球新建儲能項目也基本以鋰電為主,鋰電的主流廠商在歐美市場保持比較低的事故率,部分項目的安全使用時間已經超過8年,國外很多有價值的經驗已經轉化成為規范和標準。這充分說明雖然鋰電池存在易燃、熱失控的風險,但通過嚴格有效的管控、從安全角度提高準入門檻,還是可以保障鋰離子電池儲能系統的安全性。加強安全管理既有必要,也能夠讓產業發展更健康。

    據了解,目前我國鋰離子電池儲能行業的技術標準有國家標準和行業標準,具體包括《電化學儲能電站設計規范》(GB51048—2014),《電化學儲能電站監控系統與電池管理系統通信協議》(DL/T1989—2019),《電池儲能功率控制系統 變流器 技術規范》(NB/T31016—2019),《光儲系統用功率轉換設備技術規范》(NB/T10186—2019)。

    “盡管目前已頒布的標準涵蓋了對電池本體的技術要求、裝備技術條件等方面的內容,但對儲能電站控制保護設備基本技術條件、儲能電站及電池系統運行維護、儲能電站運行環境要求、儲能電站消防安全等方面的標準仍然缺乏?!秉S峰補充道,“鋰離子電池儲能行業若要發展提速,我們認為還應聚焦在電池的安全性和可靠性等關鍵問題上,加大技術路線圖的研究投入力度?!?

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