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鋰電池的基本特性與安全性問題
鋰電池的工作原理及主要類型
鋰電池就是利用鋰合金金屬氧化物作為電源的主要元素，同時使用非水電解質作為電源的輔助元素，運行機制主要包括鋰離子在正負極間的嵌入與脫嵌過程。在充電過程中，鋰離子會從正極分離出來，然后通過電解質進入負極，使得負極保持在富含鋰的狀態(tài)，放電的情況是反過來的。以磷酸鐵鋰電池為例，其正極反應為：放電時鋰離子嵌入，充電時鋰離子脫嵌；負極反應為：放電時鋰離子脫嵌，充電時鋰離子嵌入。
數據中心使用的鋰電池的主要類型，常見的有磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。磷酸鐵鋰電池因其高安全性、長壽命和低成本而被廣泛使用；三元鋰電池則因其高能量密度及元素活潑的特性，被認為易于出現熱失控問題而逐漸被避免使用。具體在數據中心的應用中，選擇哪種類型的鋰電池還需要考慮數據中心的實際需求，如功率需求、空間限制、成本預算、安全要求等因素。
此外，對于鋰電池在數據中心的使用，還需要注意其充放電倍率。充放電倍率是指充放電電流與額定容量的比值，它影響著電池的充放電性能和使用壽命。
鋰電池的優(yōu)勢與局限性
數據中心應用鋰電池的優(yōu)勢主要體現在以下幾個方面：
a. 能量密度高：鋰電池的能量密度遠高于傳統(tǒng)的鉛酸電池，這意味著在相同體積或重量下，鋰電池能提供更長的后備時間或支持更高的負載功率。
b. 壽命長：鋰電池的循環(huán)壽命長，即使在頻繁充放電的情況下，也能保持較長的使用壽命。這有助于減少數據中心的維護成本和降低更換電池的頻率。
c. 環(huán)保：鋰電池不含鉛、鎘等有害重金屬元素，對環(huán)境友好。同時，其在使用過程中不會產生酸霧等有害氣體，對數據中心的環(huán)境影響較小。
d. 充電速度快：鋰電池的充電速度比鉛酸電池快很多，這有助于縮短數據中心的停電恢復時間，提高系統(tǒng)的可用性。
e. 鉛酸電池的適宜充電和放電溫度一般介于20 ~ 30 ℃，這個范圍內的環(huán)境溫度敏感性較弱。然而，一旦氣候變冷，電池的蓄電效率就可能會相應減弱。尤其是在溫度低于15 ℃ 的情況下，電池的容量減少更為顯著，每降低1 ℃，其可用容量就會減少大約0.8 %。當溫度降至零下，電池的功率可能僅為其平均水平的70%。與此相對，鋰電池的儲能性質對環(huán)境溫度的反應較弱，它的使用環(huán)境溫度范圍更廣，可以在0 ~ 60 ℃。這使得鋰電池在更高或更低的工作溫度條件下仍能保持相對穩(wěn)定的性能。由于鋰電池的預期使用年限以及耐熱屬性，它們在極端環(huán)境中依然可以維持超過鉛酸電池的使用年限。
數據中心應用鋰電池也存在一些局限性：
a. 成本較高：目前，鋰電池的成本仍然高于傳統(tǒng)的鉛酸電池，曾經達到鉛酸電池造價的3倍以上。雖然隨著技術的進步和規(guī)?；a，鋰電池的成本正在逐漸降低，但在某些應用中，其成本仍然是一個重要的考慮因素。
b. 盡管鋰電池在日常操作中是安全的，但如果處于過度充電、過度放電或者高溫環(huán)境中，可能會出現如熱失控等嚴重的安全風險。因此，數據中心在使用鋰電池時需要采取嚴格的安全管理措施。
鋰電池的熱失控安全隱患
鋰電池發(fā)生熱失控主要是由于內部產熱遠高于散熱速率，在鋰離子電池的內部積聚了大量的熱量，從而引起了連鎖反應，導致電池起火和爆炸。
常見觸發(fā)鋰電池熱失控的故障類型包括：
a. 電池過熱：這可能是由于電池的選型和熱設計不合理，或者外短路導致電池溫度升高、電纜的接頭松動等。
b. 過充電：過充電觸發(fā)的熱失控通常是由于電池管理系統(tǒng)本身對過充電的電路安全功能缺失，導致電池的BMS（電池管理系統(tǒng)）已經失控卻還在充電。
c. 內短路：電池制造雜質、金屬顆粒、充放電膨脹的收縮、析鋰等都有可能造成內短路。這種內短路是緩慢發(fā)生的，時間非常長，而且無法確定它什么時候會出現熱失控。
當發(fā)生充電速率過快、過度放電、溫度變化、材料變形等情況時，鋰離子電池內部會產生枝晶。枝晶是尖銳的樹枝狀結構，它可能刺穿隔膜，導致電池內部短路，進而引發(fā)熱失控。
在鋰電池的熱失控過程中，可能會產生大量的易燃氣體，例如氫氣和一氧化碳等，這些氣體在特定環(huán)境下有可能觸發(fā)爆炸。
為了預防鋰電池熱失控，可以采取優(yōu)化電池設計、改進電池管理、控制充電速率、避免過度充放電、保持適宜的環(huán)境溫度等措施。這些措施有助于延長鋰電池的壽命并提高使用安全性。
消防安全規(guī)范對鋰電池應用的要求
為了確保鋰電池的安全應用，各國已出臺相應的規(guī)范和標準。例如，我國在GB 51048 - 2014《電化學儲能電站設計規(guī)范》中明確規(guī)定了鋰電池的選用、布置、防火和安全間距等方面的要求。規(guī)范強調了鋰電池的火災危險性，要求在設計中充分考慮鋰電池的火災預防和應對措施。具體來說，應設置有效的火災探測系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)等，以確?；馂陌l(fā)生時能及時發(fā)現并控制火勢。此外，規(guī)范還要求對鋰電池的充電和放電過程進行嚴格監(jiān)控，防止過充和過放引發(fā)的火災事故。
此外，行業(yè)人士在團體標準方面也作了有益的探索，包括筆者作為主要起草人的T / DZJN 80 - 2022《數據中心用鋰離子電池設備產品技術標準》和T / CABEE 056 - 2023《數據中心鋰離子電池室設計標準》等。
T / DZJN 80 - 2022要求電池系統(tǒng)應安裝獨立的滅火裝置，能夠實現自動滅火功能，應采用模塊內滅火裝置或機柜內滅火裝置，滅火材質宜使用全氟己酮或七氟丙烷。此外，也提到電池艙式水浸沒滅火裝置，即電池模塊布置在半封閉式的電池倉內，通過火探管在設定溫度時報警，聯動注水浸沒電池滅火，利用水比容大的特點達到持續(xù)降溫控制熱失控的目的。
T / CABEE 056 - 2023在設計層面限定電池室適用于室內放置鋰電池總容量大于20 kWh、小于等于600 kWh；鑒于熱失控初期釋放的氣體特性，應配置CO或H2探測器；鋰電池室宜配置水噴霧滅火系統(tǒng)或自動噴水滅火系統(tǒng)，要求消防用水應滿足2.0 h持續(xù)供水能力；為防止復燃，不同水滅火系統(tǒng)還應存在7 ~ 10 h的持續(xù)供水能力。與鉛酸電池室采用氣體滅火時須遵循空間不大于3 600 m3不同，鋰電池室的空間受電池總容量限制會小得多；在實際設計工作中，按要求限制好每個電池室的電池安裝總容量，就能較輕松地實現持續(xù)供水要求。
數據中心UPS系統(tǒng)中鋰電池的應用分析
鉛酸電池與鋰電池的特性差異
首先，鉛酸電池是傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)常用的電池技術，分為密封鉛酸電池和開放式鉛酸電池兩種類型。它們通常具有較短的使用壽命，并需要定期維護，包括檢查電解液水平和可能的水分補充。相比之下，鋰電池作為新一代的UPS電池技術，通常具有更長的壽命，并且不需要定期維護，因為它們是密封的，無需補充水分。
接下來，從性能角度看，鋰電池的尺寸更小、質量更輕，同等體積的鋰電池的容量超過鉛酸電池。此外，鋰電池還具有出色的高溫性能，可在較寬的溫度范圍內工作，并且充電速度更快，可大電流充放電。這些性能優(yōu)勢使得鋰電池在UPS系統(tǒng)中的應用更加靈活和高效。
再者，鋰電池的生產成本通常超過鉛酸電池，其價格大約是鉛酸電池的3倍，而且其回收價值并不高，如果不當使用，還可能帶來一些安全風險，比如電解液分解、燃燒甚至爆炸。因此，在選擇UPS電池技術時，需要綜合考慮這些因素。
UPS配合鉛酸電池與配合鋰電池在電池管理方面的差異
首先，鉛酸電池由于其技術成熟且應用廣泛，電池管理系統(tǒng)（BMS）相對簡單。它主要關注電池的電壓、電流和溫度等基本參數，以確保電池在安全范圍內運行。鉛酸電池的BMS通常不需要復雜的算法和控制策略，因為其電化學特性相對穩(wěn)定。
相比之下，鋰電池具有更高的能量密度、更輕的重量和更長的壽命等優(yōu)勢，但其電化學特性也更為復雜。因此，鋰電池的BMS需要更加精確和復雜的控制策略。除了基本的電壓、電流和溫度監(jiān)控外，鋰電池的BMS還需要考慮電池的荷電狀態(tài)（SOC）、健康狀態(tài)（SOH）以及功率狀態(tài)（SOP）等多個方面。此外，由于鋰電池在過充、過放、高溫甚至短路等情況下可能引發(fā)安全問題，其BMS還必須具備多重安全保護功能。
在充電和放電管理方面，鉛酸電池通常采用較為簡單的恒壓或恒流充電方式，而鋰電池則需要更加精確的充電控制策略，如恒流 - 恒壓（CC - CV）充電方式。此外，鋰電池的放電管理也需要考慮放電速率、放電深度以及放電過程中的溫度變化等因素。
這就使得UPS適配鋰電池的電池管理系統(tǒng)，需要著重考慮BMS的復雜性、控制策略及安全保護等方面的要求。
UPS備用鋰電池與電化學儲能的區(qū)別與聯系
近年來，行業(yè)內存在一種聲音，要求UPS超配電池容量，利用峰谷電價套利。這是另一種形式的電化學儲能，但實際上，UPS備用鋰電池與電化學儲能之間還存在一些區(qū)別與聯系。
區(qū)別：
a. 應用場景：UPS備用鋰電池主要用于在不間斷電源系統(tǒng)中提供備用電力，確保在市電中斷或異常時能夠持續(xù)為關鍵負載提供電力。而電化學儲能則更廣泛地應用于各種場景，包括電力系統(tǒng)、交通運輸、工業(yè)制造等，用于實現能量的儲存、釋放與管理。
b. 電池性能：如果配儲方案里面是使用同一種電芯既做備電也做儲能，需要制定動態(tài)合理調整備電和儲能電量分配的策略，而且為了儲能對后備電芯超配會造成很高的額外占地成本、設備成本；此外儲能電芯放電倍率往往只有0.5 C，而備電電芯為3 ~ 6C，備電電芯用于儲能，循環(huán)壽命通常只有儲能型電芯一半左右。
c. 熱管理需求問題：備電電芯短時高倍率放電，儲能電芯長時低倍率放電。在實際工程實踐中，后備電池散熱多為開放式風冷。但是儲能電芯放電長達若干小時，熱負荷計算差異很大。如果用數據中心配置制冷方式，對于儲能散熱條件來說，很可能因為配置冷量不足導致電池室過熱，還可能引發(fā)熱失控等風險。
聯系：
a. 電池技術：UPS備用鋰電池和電化學儲能都采用了鋰電池技術，具有相似的電池原理和化學反應。這使得它們在電池性能、壽命和安全性等方面有一定的共通性。
b. 能量儲存與釋放：UPS備用鋰電池和電化學儲能都是通過電池來完成能量的儲存和釋放。當需求出現時，這些設備都有能力釋放其內部的能源，以應對各種電力需求。
由上述條件所知，雖然UPS備用鋰電池與電化學儲能系統(tǒng)在某些方面存在共通性，但它們的設計目標、應用場景及性能要求存在顯著差異。因此，UPS備用鋰電池并不完全適用于電化學儲能系統(tǒng)。如果將UPS備用鋰電池直接用于電化學儲能系統(tǒng)，可能會導致性能下降、安全隱患等問題。因此，在設計電化學儲能系統(tǒng)時，需要根據實際應用場景和需求進行綜合考慮。
