中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊:隨著“雙碳”目標(biāo)推進(jìn),大力發(fā)展新能源、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)清潔低碳發(fā)展成為全球共識(shí)。儲(chǔ)能能夠促進(jìn)新能源消納,提高電力系統(tǒng)靈活性,支撐新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,已成為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。近年來(lái),盡管面臨國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)、疫情等不利因素,但是儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)仍保持高速發(fā)展態(tài)勢(shì)。根據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟(CNESA)全球儲(chǔ)能數(shù)據(jù)庫(kù)的不完全統(tǒng)計(jì),2022年,國(guó)內(nèi)新增投運(yùn)新型儲(chǔ)能項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模達(dá)7.3 GW/15.9 GWh,功率規(guī)模首次突破7 GW,能量規(guī)模首次突破15 GWh,與2021年同期相比,增長(zhǎng)率均超過(guò)200%。單個(gè)項(xiàng)目規(guī)模與以往相比大幅提升,百兆瓦級(jí)項(xiàng)目成為常態(tài)。 然而在儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的同時(shí),儲(chǔ)能的安全建設(shè)和運(yùn)行壓力也在不斷增加。根據(jù)CNESA不完全統(tǒng)計(jì),從2011年起全球累計(jì)發(fā)生儲(chǔ)能安全事故70多起。即便在經(jīng)歷十多年發(fā)展后,2022年全球儲(chǔ)能安全事故仍發(fā)生17起(表1),國(guó)外還發(fā)生數(shù)起戶(hù)用儲(chǔ)能事故。除1起事故項(xiàng)目是鉛蓄電池之外,均為鋰離子電池。隨著儲(chǔ)能裝機(jī)容量快速增加,儲(chǔ)能安全隱患也在不斷增加,安全已成為制約鋰離子電池儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。
表12021—2022年全球儲(chǔ)能事故
注:不包括戶(hù)用儲(chǔ)能事故。信息來(lái)源:CNESA全球儲(chǔ)能數(shù)據(jù)庫(kù)。
儲(chǔ)能的生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝、調(diào)試、投運(yùn)等任何一個(gè)環(huán)節(jié)都有可能發(fā)生安全事故,容不得一點(diǎn)疏忽。不斷發(fā)生的儲(chǔ)能事故也引起了監(jiān)管部門(mén)關(guān)注,《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》《國(guó)家能源局綜合司關(guān)于加強(qiáng)電化學(xué)儲(chǔ)能電站安全管理的通知》《“十四五”國(guó)家安全生產(chǎn)規(guī)劃》等文件從不同層面對(duì)儲(chǔ)能安全提出了相關(guān)要求。加快鋰離子電池儲(chǔ)能安全技術(shù)研究,推動(dòng)建立安全標(biāo)準(zhǔn)及管理體系,加強(qiáng)安全風(fēng)險(xiǎn)防范,已成為當(dāng)下儲(chǔ)能行業(yè)的重點(diǎn)發(fā)力方向,其中,對(duì)儲(chǔ)能的安全評(píng)價(jià)涉及儲(chǔ)能項(xiàng)目從設(shè)計(jì)、驗(yàn)收到運(yùn)行的全壽命環(huán)節(jié),是保障儲(chǔ)能安全的重要手段。 鋰離子電池儲(chǔ)能安全評(píng)價(jià)是一個(gè)系統(tǒng)性問(wèn)題,涵蓋單體電芯、模組、簇、系統(tǒng)及整個(gè)電站的各個(gè)層級(jí),但目前針對(duì)鋰離子電池儲(chǔ)能安全評(píng)價(jià)的研究相對(duì)有限,雖已初步建立起儲(chǔ)能系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系框架,但仍存在要素不全面、應(yīng)用性較差的問(wèn)題。隨著儲(chǔ)能安全研究的不斷成熟,建立更加完善、精細(xì)化的指標(biāo)體系,發(fā)展多要素動(dòng)靜結(jié)合的儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性能等級(jí)評(píng)價(jià)技術(shù)將成為提高儲(chǔ)能安全評(píng)價(jià)水平的必然要求。
1 鋰離子電池儲(chǔ)能電站安全評(píng)價(jià)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀
安全評(píng)價(jià)是保障儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和可持續(xù)發(fā)展的重要途徑,國(guó)內(nèi)外行業(yè)組織和科研機(jī)構(gòu)在這一領(lǐng)域積極開(kāi)展研究,取得了一定的進(jìn)展,初步建立了鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全標(biāo)準(zhǔn)體系。
1.1 電池安全評(píng)價(jià)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
IEC(國(guó)際電工委員會(huì))、中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院、UL等國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)均制定了多項(xiàng)評(píng)估儲(chǔ)能用鋰離子電池安全性的標(biāo)準(zhǔn),旨在提高鋰離子電池在儲(chǔ)能終端應(yīng)用上的安全性,促進(jìn)技術(shù)升級(jí)。
表2電池安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域,負(fù)責(zé)制定儲(chǔ)能用鋰離子電池分技術(shù)的委員會(huì)是IEC/TC21/SC21A(含堿性及其他非酸性電解質(zhì)二次電池和電池組),具體由其下設(shè)的WG 5(工業(yè)設(shè)備用鋰離子電池)負(fù)責(zé)制定,目前已經(jīng)制定了IEC 62619和IEC 63056兩項(xiàng)儲(chǔ)能用鋰蓄電池標(biāo)準(zhǔn)。其中IEC 62619是工業(yè)設(shè)備用鋰蓄電池的基礎(chǔ)安全標(biāo)準(zhǔn),也被稱(chēng)為“保護(hù)傘”標(biāo)準(zhǔn),IEC 63056是根據(jù)電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的特點(diǎn)制定的對(duì)鋰蓄電池/電池組系統(tǒng)的特殊要求和附加要求。在運(yùn)輸安全領(lǐng)域,UN(聯(lián)合國(guó)危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸委員會(huì))制定了UN 38.3[9],IEC將該標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化成了IEC 62281。 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域,中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院(電子標(biāo)準(zhǔn)院,賽西/CESI)作為工信部鋰離子電池及類(lèi)似產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)工作組秘書(shū)處承擔(dān)單位,負(fù)責(zé)統(tǒng)籌、組織我國(guó)儲(chǔ)能用鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作。目前已經(jīng)牽頭制定了兩項(xiàng)電能存儲(chǔ)用鋰電池強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn):GB xxxx《電能存儲(chǔ)系統(tǒng)用鋰蓄電池和電池組安全要求》(計(jì)劃號(hào):20214450-Q-339,報(bào)批中)和GB 40165,IEC 62619(2022版)的國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)化工作也在進(jìn)行中。此外,中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟(CNESA)、中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)(CIPAS)等社團(tuán)組織也制定了相關(guān)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域,UL(美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室)制定了全球首部電能存儲(chǔ)用電池標(biāo)準(zhǔn)UL 1973,該標(biāo)準(zhǔn)在北美普遍使用,其電池安全標(biāo)準(zhǔn)考慮全面而嚴(yán)謹(jǐn),具有相當(dāng)?shù)挠绊懥?。歐洲、日韓等國(guó)家及地區(qū)多以直接轉(zhuǎn)換IEC 62619為主,澳洲則是同時(shí)引用IEC和UL標(biāo)準(zhǔn)。 盡管全球范圍內(nèi)制定了多項(xiàng)儲(chǔ)能用鋰離子電池安全標(biāo)準(zhǔn),但是現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)只能滿(mǎn)足對(duì)儲(chǔ)能用鋰離子電池安全性評(píng)估的基本要求,缺少評(píng)估長(zhǎng)周期循環(huán)后鋰電池安全性的試驗(yàn)項(xiàng)目/標(biāo)準(zhǔn),缺少相應(yīng)的鋰離子電池安全等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。 現(xiàn)有安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的適用對(duì)象都是未投入使用的出廠6個(gè)月以?xún)?nèi)的鋰電池新品。眾所周知,鋰離子電池因其制造工藝引入的缺陷和外部激源因素引發(fā)的其他問(wèn)題會(huì)在長(zhǎng)周期循環(huán)后被放大,增加鋰電池的安全風(fēng)險(xiǎn),最終增加發(fā)生安全事故的概率。后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中,在考慮如何更有針對(duì)性地評(píng)估新品的同時(shí)還應(yīng)考慮長(zhǎng)周期循環(huán)對(duì)鋰離子電池安全性的影響,并制定評(píng)估長(zhǎng)周期循環(huán)后鋰離子電池安全性的項(xiàng)目或標(biāo)準(zhǔn)。此外,鋰離子電池的安全性因其使用的材料體系、隔膜、電解液的不同存在一定的差異。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外并未制定鋰離子電池安全等級(jí)評(píng)價(jià)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),厘清影響鋰電池安全差異的因素,制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)也是提高儲(chǔ)能用鋰離子電池安全性的重要手段。
1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
儲(chǔ)能系統(tǒng)集成了電池、儲(chǔ)能變流器以及各類(lèi)輔助系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)首先要符合其對(duì)應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn),例如鋰離子電池需滿(mǎn)足電池產(chǎn)品的安全標(biāo)準(zhǔn)。此外,當(dāng)這些子系統(tǒng)集成為一個(gè)系統(tǒng)時(shí),還需考慮子系統(tǒng)之間的兼容性以及整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的環(huán)境適用性。儲(chǔ)能系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)是保證儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)的安全安裝和運(yùn)營(yíng)的重要支撐。
表3儲(chǔ)能系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
國(guó)際電工委員會(huì)(IEC) TC120負(fù)責(zé)制定國(guó)際儲(chǔ)能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。歐洲、日本、韓國(guó)等國(guó)家及地區(qū)通常直接等同或修訂采用IEC標(biāo)準(zhǔn)。 IEC 62933-5-2以IEC 62933-5-1為基礎(chǔ),提供了電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全要求,其第一版發(fā)布于2020年,第二版正在修訂中。該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)(包括鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng))的危險(xiǎn)因素、安全風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)降低措施以及系統(tǒng)安全驗(yàn)證和測(cè)試。對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全驗(yàn)證和測(cè)試,IEC 6293-5-2允許使用模擬信號(hào)來(lái)測(cè)試或者通過(guò)文件審查方式來(lái)驗(yàn)證。IEC 62933-5-4則基于鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)提供了使用實(shí)際電信號(hào)的測(cè)試方法和程序。 美國(guó)非常重視儲(chǔ)能安全,其標(biāo)準(zhǔn)制定也相對(duì)領(lǐng)先和完善。美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(UL)是北美最大的安全標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu),于2016年發(fā)布了第一版儲(chǔ)能系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)UL 9540,并被批準(zhǔn)為美國(guó)和加拿大雙國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。目前UL 9540第三版正在修訂中。UL 9540標(biāo)準(zhǔn)從材料、零部件、結(jié)構(gòu)要求、安全失效分析、功能安全、測(cè)試評(píng)估、標(biāo)簽和說(shuō)明書(shū)方面對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)提出了全面要求,是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全保證的基石。UL 9540被美國(guó)電工法NEC和國(guó)際消防規(guī)范IFC等眾多規(guī)范引用,是儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入北美的強(qiáng)制準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)。 為了評(píng)估電池儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控蔓延的安全風(fēng)險(xiǎn),保障儲(chǔ)能系統(tǒng)消防安全,UL于2017年發(fā)布了UL 9540A,目前第5版正在修訂中。該標(biāo)準(zhǔn)從電芯、模塊、單位以及安裝層級(jí)共4個(gè)層級(jí)對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,獲取電芯熱失控特性參數(shù)和電芯釋放氣體的燃燒特性參數(shù),以及電池儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控蔓延時(shí)的氣體/煙霧/熱釋放速率、熱輻射、起火和爆炸情況等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以有效地評(píng)估電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的火災(zāi)和爆炸風(fēng)險(xiǎn),減少消防安全顧慮。 美國(guó)消防協(xié)會(huì)(NFPA)在2019年正式發(fā)布第一版NFPA 855,目前最新版為2023版。為了控制儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn),該標(biāo)準(zhǔn)明確要求儲(chǔ)能系統(tǒng)必須UL 9540列名,并給出了安裝間距、存儲(chǔ)能量、防火隔離、通風(fēng)、火災(zāi)探測(cè)、消防抑制等儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝要求。對(duì)于超出安裝限制條件的電池儲(chǔ)能系統(tǒng),必須提供UL 9540A測(cè)試報(bào)告以支持其安裝許可。 澳大利亞和新西蘭于2019年聯(lián)合制定了AS/NZS 5139:2019,該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(BESS)的一般安裝要求,對(duì)BESS的安裝位置進(jìn)行了限制,并對(duì)BESS附近的其他設(shè)備進(jìn)行了限制。 在中國(guó),全國(guó)電力儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC TC550)負(fù)責(zé)電力儲(chǔ)能領(lǐng)域國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制修訂,其制定的儲(chǔ)能安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 36558—2018《電力系統(tǒng)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)通用技術(shù)條件》、GB/T 40090—2021《儲(chǔ)能電站運(yùn)行維護(hù)規(guī)程》和GB/T 42288—2022《電化學(xué)儲(chǔ)能電站安全規(guī)程》。為滿(mǎn)足北京市儲(chǔ)能項(xiàng)目安全建設(shè)需求,2021年12月,北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/T 1893—2021《電力儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行規(guī)范》正式發(fā)布,明確了儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、運(yùn)行維護(hù)及退役和應(yīng)急處置要求。
2 鋰離子電池儲(chǔ)能安全評(píng)價(jià)相關(guān)理論研究
鋰離子儲(chǔ)能電池本身是影響儲(chǔ)能安全的首要因素,作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件,電池在各種復(fù)雜工況下存在潛在的過(guò)充、短路、擠壓、振動(dòng)、碰撞等引起的突發(fā)性燃燒和爆炸現(xiàn)象,是實(shí)際應(yīng)用中面臨的安全難題。因此,要從根本上解決鋰離子電池的安全性問(wèn)題,需要從電池本征安全方面展開(kāi)研究。 本征安全主要是在材料層面提升各電芯材料的熱穩(wěn)定性,在工藝層面從設(shè)計(jì)和制造的角度保證電芯可靠性。目前,在正極材料方面,主要通過(guò)材料選型、本體改性(表面包覆、元素?fù)诫s等)與材料復(fù)配,提升材料熱穩(wěn)定性;隔膜材料方面,為了改善隔膜熱穩(wěn)定性,通常在隔膜表面涂上一層耐高溫的涂覆材料,以改善隔膜熱收縮性能,同時(shí)提高隔膜穿刺強(qiáng)度,防止鋰枝晶刺穿,提升電池安全性;電解液材料方面,通過(guò)在電解液中引入阻燃、過(guò)充保護(hù)等安全添加劑來(lái)有效改善電池安全;集流體材料方面,通過(guò)改善集流體的力學(xué)性能,避免其在加工使用過(guò)程中形成毛刺和斷裂,以降低電芯安全風(fēng)險(xiǎn);電芯設(shè)計(jì)方面,overhang設(shè)計(jì)、NP比設(shè)計(jì)、配方設(shè)計(jì)、電極設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全閥設(shè)計(jì)、絕緣保護(hù)等均會(huì)對(duì)電芯安全產(chǎn)生影響,綜合優(yōu)化各方面設(shè)計(jì)因素是實(shí)現(xiàn)電芯高穩(wěn)定性、高安全的關(guān)鍵之一;工藝制造方面,減少內(nèi)部異物、邊緣毛刺等對(duì)電池安全有著至關(guān)重要的影響,通過(guò)制造工藝升級(jí)、產(chǎn)線智能化改造、過(guò)程監(jiān)測(cè)強(qiáng)化等措施降低電芯缺陷,是降低電池安全隱患的重要舉措。此外,固態(tài)電池作為下一代電池技術(shù),有望徹底解決鋰離子電池本征安全問(wèn)題。有機(jī)電解液熱分解溫度與隔膜融化溫度在160 ℃以下,而固態(tài)電解質(zhì)熱分解溫度高(如氧化物固態(tài)電解質(zhì)熱分解溫度在500 ℃以上),用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解液和隔膜,可以大大降低電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)。
2.2 鋰離子電池儲(chǔ)能故障及事故數(shù)據(jù)集
儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的各類(lèi)故障是誘發(fā)電池?zé)崾Э?、?dǎo)致火災(zāi)爆炸事故發(fā)生的重要原因。儲(chǔ)能系統(tǒng)涉及的故障類(lèi)型多樣,而電池?zé)崾Э氐恼T發(fā)可能是多種故障耦合作用的結(jié)果。為進(jìn)一步挖掘分析儲(chǔ)能系統(tǒng)故障的發(fā)生條件、故障部位、表現(xiàn)形式、故障后果等,有必要建立儲(chǔ)能事故綜合信息平臺(tái),通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能事故、故障等信息的進(jìn)一步收集,逐步構(gòu)建起儲(chǔ)能故障數(shù)據(jù)集。 目前儲(chǔ)能事故信息平臺(tái)的建設(shè)尚處于起步階段,國(guó)外EPRI(美國(guó)電力研究院)上線了事故wiki頁(yè)面,對(duì)全球事故進(jìn)行簡(jiǎn)單的匯總和統(tǒng)計(jì)。國(guó)內(nèi)還沒(méi)有公共權(quán)威的儲(chǔ)能事故信息發(fā)布平臺(tái),亟需建立專(zhuān)業(yè)化的儲(chǔ)能事故信息平臺(tái)以促進(jìn)事故信息及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)布,不斷總結(jié)事故經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。 儲(chǔ)能事故信息的數(shù)據(jù)來(lái)源涉及產(chǎn)業(yè)鏈各方以及監(jiān)管部門(mén),需要全產(chǎn)業(yè)鏈共同支持以及多方合作協(xié)調(diào)。信息平臺(tái)在建設(shè)過(guò)程中需要結(jié)合市場(chǎng)需求,不斷改進(jìn)優(yōu)化,保證信息的準(zhǔn)確、及時(shí)更新。平臺(tái)的建設(shè)不僅有利于信息資源的合作共享,儲(chǔ)能安全水平的提升,也有利于政府監(jiān)管。通過(guò)平臺(tái)一系列科學(xué)的、系統(tǒng)的、結(jié)構(gòu)化的分析模型工具,可以對(duì)收集到的事故、事故征候、其他不安全事件相關(guān)信息進(jìn)行分析,提出相應(yīng)的安全建議。 圖1為事故信息平臺(tái)架構(gòu)提出了初步設(shè)計(jì)方案。平臺(tái)將綜合事故、項(xiàng)目、產(chǎn)品、企業(yè)、測(cè)試以及產(chǎn)品溯源、警情和事故調(diào)查等多渠道信息,通過(guò)數(shù)據(jù)集成并提供可視化分析,進(jìn)一步挖掘分析儲(chǔ)能事故/故障的發(fā)生條件、部位、表現(xiàn)形式、故障后果等特征規(guī)律,確定引發(fā)儲(chǔ)能電池?zé)崾Э氐膬?chǔ)能故障數(shù)據(jù)集,并為未來(lái)儲(chǔ)能事故分析、故障識(shí)別等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 平臺(tái)不僅可以對(duì)產(chǎn)品信息、項(xiàng)目信息、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、事故信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行集成,亦將在儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)、選型、安全評(píng)價(jià)甚至事故故障的預(yù)測(cè)等方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,有效提升信息平臺(tái)價(jià)值和公共服務(wù)能力,也為日后引入人工智能方法提供必不可少的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。上述均有待于更細(xì)致和深入地研究,此外關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息的脫敏、不同信息平臺(tái)的對(duì)接也有待在建設(shè)過(guò)程中逐步完善。
2.3 儲(chǔ)能用鋰離子電池?zé)崾Э貦C(jī)理及火蔓延機(jī)制
鋰離子電池?zé)崾Э氐谋举|(zhì)是濫用條件觸發(fā)電池內(nèi)部的鏈?zhǔn)礁狈磻?yīng),放出熱量進(jìn)一步提升電池內(nèi)部的溫度,并成功觸發(fā)更高溫度區(qū)間的副反應(yīng),形成“熱量-溫度-反應(yīng)”閉環(huán)回路,該回路在高溫度條件下循環(huán)直至發(fā)生熱失控。以?xún)?chǔ)能用鋰離子電池為例,其熱失控機(jī)理可以總結(jié)為:在濫用條件下電池溫度異常升高,首先觸發(fā)電池內(nèi)部負(fù)極表面的保護(hù)層(SEI膜)的分解,電解液的還原/氧化反應(yīng),電池內(nèi)部溫度逐漸升高。在150~160 ℃,隔膜開(kāi)始收縮和熔化;然后發(fā)生內(nèi)部短路,內(nèi)部電解液蒸氣壓增大,副反應(yīng)產(chǎn)氣導(dǎo)致安全閥打開(kāi)。隨著電池溫度的升高,發(fā)生鏈?zhǔn)椒艧岱磻?yīng),負(fù)極的活性鋰會(huì)與電解液反應(yīng)并產(chǎn)生巨大的熱量,觸發(fā)磷酸鋰正極釋放氧氣并與電解液發(fā)生反應(yīng)釋放熱量。電極中剩余的鋰與黏合劑在更高的溫度下反應(yīng),進(jìn)一步提高電池溫度直至發(fā)生熱失控。上述鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的反應(yīng)順序和反應(yīng)溫度區(qū)間因電池材料體系和熱失控觸發(fā)方式等因素的變化而呈現(xiàn)一定的差異性,但本質(zhì)上是上述鏈?zhǔn)椒磻?yīng)相互交替、疊加所導(dǎo)致。
在儲(chǔ)能電池系統(tǒng)中,單節(jié)電池發(fā)生熱失控釋放大量的熱量,并通過(guò)對(duì)流、輻射、傳導(dǎo)等形式將熱傳遞到相鄰電池,當(dāng)觸發(fā)電池周?chē)泥徑姵販囟冗_(dá)到熱失控觸發(fā)溫度時(shí),即誘發(fā)熱失控蔓延。Feng等人通過(guò)對(duì)6節(jié)25 Ah方形硬殼三元電池模組開(kāi)展針刺觸發(fā)下的熱失控傳播實(shí)驗(yàn),揭示了熱失控蔓延機(jī)制,即在熱失控蔓延過(guò)程中,高溫?zé)崾Э仉姵赝ㄟ^(guò)正面殼體接觸而向鄰近電池側(cè)向劇烈傳熱,導(dǎo)致被加熱電池內(nèi)部沿厚度方向產(chǎn)生巨大溫度梯度,當(dāng)被加熱電池前端面溫度達(dá)到熱失控觸發(fā)溫度時(shí),即發(fā)生熱失控蔓延。而對(duì)于儲(chǔ)能用磷酸鐵鋰電池而言,其熱失控蔓延機(jī)制類(lèi)似,Song等人分析了280 Ah磷酸鐵鋰電池模組熱失控蔓延過(guò)程中的熱流路徑。他們發(fā)現(xiàn)通過(guò)殼體接觸面?zhèn)鬟f的用于觸發(fā)熱失控蔓延的熱量?jī)H占單體電池?zé)崾Э乜偖a(chǎn)熱的5%~7%,而超過(guò)75%的能量用于電池自產(chǎn)熱。此外,也有一些學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方式分析了儲(chǔ)能用電池模組在不同電連接方式,不同觸發(fā)方式,不同荷電狀態(tài),不同間距,不同環(huán)境壓力、不同電極體系、不同環(huán)境氛圍等因素下的熱失控蔓延特性。具體可以歸納為:相比于無(wú)連接和串聯(lián)模組,并聯(lián)模組呈現(xiàn)最高的熱失控傳播危害性;增大電池間距和降低荷電狀態(tài)均會(huì)有效延緩熱失控蔓延行為的發(fā)生;過(guò)充、針刺、加熱觸發(fā)方式對(duì)模組前三節(jié)電池?zé)崾Э芈有袨楫a(chǎn)生影響,對(duì)后幾節(jié)電池的影響不大;電池體系對(duì)模組熱失控傳播的影響較大,三元電池相較于磷酸鐵鋰電池更容易發(fā)生熱失控,并且在熱失控蔓延的過(guò)程 中會(huì)出現(xiàn)大量的射流火,而磷酸鐵鋰電池發(fā)生熱失控蔓延的難度較大,且在熱失控過(guò)程中未見(jiàn)到射流火等明火行為;隨著環(huán)境壓力的降低,鋰離子電池?zé)崾Э芈拥乃俾蕰?huì)降低,同時(shí)熱失控蔓延過(guò)程中燃燒燃爆導(dǎo)致的傳熱量也會(huì)降低;此外,空氣氛圍下的模組熱失控傳播速度比氮?dú)夥諊碌哪=M熱失控傳播速度更快。當(dāng)某一模組完全失控并起火時(shí),即使模組之間有空氣域存在,模組間的熱失控蔓延也會(huì)發(fā)生;導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是模組全部熱失控產(chǎn)生的射流火面積和放熱量的增加加速了模組間的固體傳熱量,進(jìn)而導(dǎo)致模組間的熱失控蔓延行為。針對(duì)鋰離子電池包,當(dāng)電池包內(nèi)任一模組內(nèi)單體觸發(fā)熱失控時(shí),整個(gè)系統(tǒng)在無(wú)防護(hù)的作用下都會(huì)發(fā)生熱失控蔓延,熱失控蔓延會(huì)呈現(xiàn)倒敘蔓延、順序蔓延等多種蔓延現(xiàn)象,電池包的蔓延行為則呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的規(guī)律。盡管?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電池模組熱失控蔓延開(kāi)展了大量的研究,然而這些研究工況與儲(chǔ)能電站實(shí)際場(chǎng)景存在一定出入。對(duì)于真實(shí)儲(chǔ)能電站場(chǎng)景下的熱失控蔓延且出現(xiàn)燃燒行為,其火災(zāi)場(chǎng)景屬于頂棚射流火焰范疇,火焰對(duì)模組中毗鄰電池的輻射傳熱加劇,進(jìn)而加快模組熱失控蔓延,因此,揭示火焰對(duì)電池模組熱失控蔓延的影響機(jī)制,對(duì)于儲(chǔ)能電站的消防安全設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。
綜上所述,對(duì)于鋰離子電池?zé)崾Э貦C(jī)理,前人大多研究不同濫用條件、材料體系等因素下電池?zé)崾Э匮莼瘷C(jī)制和差異,對(duì)于儲(chǔ)能故障導(dǎo)致電池?zé)崾Э氐娜湕l演化過(guò)程及機(jī)制缺乏系統(tǒng)認(rèn)知,不同故障類(lèi)型導(dǎo)致的電池濫用形式及熱安全邊界尚未明確。未來(lái)將重點(diǎn)開(kāi)展誘導(dǎo)電池?zé)崾Э毓收项?lèi)型及模式識(shí)別分析,確定誘導(dǎo)不同材料體系電池?zé)崾Э氐呐R界故障條件及熱安全邊界閾值,明確多因素動(dòng)態(tài)耦合激勵(lì)下電池?zé)崾Э匦袨榧捌淠芰苛鲃?dòng)分布特征,揭示不同儲(chǔ)能故障作用下電池系統(tǒng)熱安全邊界演化規(guī)律及熱失控致災(zāi)機(jī)制,對(duì)于規(guī)?;瘍?chǔ)能系統(tǒng)安全應(yīng)用具有重要科學(xué)意義。 對(duì)于鋰離子電池模組熱失控蔓延問(wèn)題,以往研究對(duì)熱失控傳播機(jī)制的解釋大多停留在熱失控電池對(duì)鄰近電池外部傳熱的維度,忽略了電池自產(chǎn)熱貢獻(xiàn),因此,量化模組熱失控蔓延過(guò)程中的電池自產(chǎn)熱貢獻(xiàn)是儲(chǔ)能電池模組熱失控蔓延問(wèn)題研究的重點(diǎn)。同時(shí),目前的研究大多在敞開(kāi)環(huán)境下開(kāi)展,而在實(shí)際儲(chǔ)能電站場(chǎng)景下,電池模組層層堆疊于電池支架上,一旦發(fā)生熱失控故障,同時(shí)在滿(mǎn)足點(diǎn)火源條件下,熱失控過(guò)程噴射的可燃?xì)怏w被點(diǎn)燃誘發(fā)劇烈燃燒,噴射火焰對(duì)同層電池模組劇烈傳熱,同時(shí)也炙烤上層支架電池模組,其熱失控蔓延方向可能涉及水平和豎直方向兩個(gè)維度。因此,開(kāi)展儲(chǔ)能預(yù)制艙內(nèi)電池模組豎直和水平熱失控蔓延特性研究及火焰輻射傳熱對(duì)熱失控蔓延影響機(jī)制的研究是未來(lái)儲(chǔ)能用電池模組熱失控蔓延研究的重點(diǎn),可為儲(chǔ)能電站的消防安全設(shè)計(jì)提供更多的理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。
3 鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)的數(shù)值模擬技術(shù)
鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)依賴(lài)于各種特征參量及指標(biāo),數(shù)值模擬技術(shù)由于能夠解析電池、模組、系統(tǒng)內(nèi)部的能量流動(dòng)特征及演化機(jī)制,在儲(chǔ)能系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。目前,鋰離子電池?zé)釀?dòng)力學(xué)建模已成為領(lǐng)域研究重點(diǎn),大量學(xué)者針對(duì)鋰離子電池單體、模組和預(yù)制艙/電站三個(gè)層面的熱失控行為進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。