中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：日前，Leeward Renewable Energy公司工程師Drew Bandhauer就鋰離子電池化學(xué)成分的變革如何幫助儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)營商管控消防安全風(fēng)險(xiǎn)以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)如何隨著技術(shù)進(jìn)步而持續(xù)發(fā)展進(jìn)行了深入探討。
隨著電池儲(chǔ)能系統(tǒng)部署數(shù)量和規(guī)模快速增長，深入了解其運(yùn)行機(jī)制是安全高效地發(fā)揮其全部潛能的關(guān)鍵。
理解電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全：管理熱失控
當(dāng)電池單元或模塊受到機(jī)械或電化學(xué)應(yīng)力時(shí)，就會(huì)發(fā)生熱失控，從而導(dǎo)致短路、產(chǎn)生大電流和溫度急劇升高。這種熱量可以迅速傳播，造成“失控”效應(yīng)。熱失控的關(guān)鍵標(biāo)志之一是排氣現(xiàn)象，即從電池單元中噴出高溫氣體（見圖1）。冒煙通常是熱失控問題首先出現(xiàn)的明顯跡象，而冒煙之后通常出現(xiàn)的起火則表明問題更為嚴(yán)重，如圖2所示。
圖1對(duì)圓柱形鋰離子電池進(jìn)行排氣測試
確保鋰離子電池安全運(yùn)行至關(guān)重要，主動(dòng)措施是安全管理潛在故障的關(guān)鍵。如今，儲(chǔ)能系統(tǒng)制造商（OEM）提供的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)都配備了先進(jìn)的安全功能，可以防止過流和過壓等可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障。
圖2 UL研究所進(jìn)行的鋰離子電池濫用/點(diǎn)火測試，其中左側(cè)是電池冒煙，右側(cè)是電池燃燒
嚴(yán)格的質(zhì)量控制流程與電池技術(shù)進(jìn)步顯著降低了用戶對(duì)熱失控的擔(dān)憂。固體電解質(zhì)界面（SEI）層在電池性能中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它能防止電解質(zhì)分解。結(jié)構(gòu)良好的SEI層以及定期進(jìn)行的維護(hù)與監(jiān)測，可使電池壽命延長多達(dá)25%。此外，技術(shù)創(chuàng)新與嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)不斷提升電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性。
這些進(jìn)步包括能夠檢測早期跡象的潛在問題先進(jìn)監(jiān)測系統(tǒng)、用于緩解內(nèi)部壓力積聚的主動(dòng)與被動(dòng)通風(fēng)裝置、改善電池組件間隔熱性能以限制熱量與火勢蔓延的措施，以及諸如液冷等有助于管理系統(tǒng)熱量以防止熱失控的冷卻方法。
憑借這些保護(hù)措施與持續(xù)創(chuàng)新，如今的電池儲(chǔ)能解決方案更加安全、更具彈性，能夠自信地滿足日益增長的能源需求。
不同化學(xué)成分的電池的性能和穩(wěn)定性比較
在2010年代，隨著美國部署的公用事業(yè)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)不斷增長，鎳錳鈷（NMC）三元鋰電池成為主流。鎳鈷鋁（NCA）電池則占有較小的市場份額。NMC電池采用不同的成分組合：鈷含量較高可以提升性能與熱穩(wěn)定性，而鎳含量較高則可以降低成本，但會(huì)影響性能與穩(wěn)定性。
各種電池的熱失控行為
在NFPA 855和UL 9540A等電池安全標(biāo)準(zhǔn)制定之前，NMC電池得到了廣泛應(yīng)用。隨著這些標(biāo)準(zhǔn)的采用，電池儲(chǔ)能行業(yè)迅速轉(zhuǎn)向磷酸鐵鋰電池（LFP）。與NMC或NCA電池相比，LFP電池在大規(guī)模火災(zāi)測試（LSFT）中表現(xiàn)出更低的加熱速率，獲得了更有利的結(jié)果。
相比之下，NMC電池和NCA電池往往需要額外的安全措施，如增強(qiáng)型防火屏障或抑制系統(tǒng)，以降低熱失控事件風(fēng)險(xiǎn)。隨著安全標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)步，LFP電池技術(shù)也不斷發(fā)展。其性能的改善與安全性的增強(qiáng)使其成為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用的首選，為構(gòu)建更安全可靠的能源基礎(chǔ)設(shè)施提供了有力支撐。
現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與新興技術(shù)
2018年到2023年，在采用更嚴(yán)格的儲(chǔ)能系統(tǒng)消防安全標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)下，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全實(shí)踐取得了重大進(jìn)展。
其中關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)包括：
UL 9540：該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)要求，確保電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電氣、機(jī)械、環(huán)境及系統(tǒng)安全等各個(gè)方面均符合標(biāo)準(zhǔn)。
UL 9540A：該標(biāo)準(zhǔn)通過誘發(fā)熱失控，在電池單元、模塊、機(jī)架/單元及大規(guī)模層面進(jìn)行測試，確保熱失控不會(huì)蔓延至相鄰電池單元。
NFPA 855：指導(dǎo)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)計(jì)和安裝的主要消防標(biāo)準(zhǔn)。并得到關(guān)鍵的子標(biāo)準(zhǔn)支持，其中包括：
NFPA 68：該標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)和安裝爆燃通風(fēng)系統(tǒng)提供了指導(dǎo)，通過安全釋放快速燃燒事件產(chǎn)生的壓力，保護(hù)建筑物與設(shè)備。這些通風(fēng)裝置對(duì)熱失控具有反應(yīng)性。
NFPA 69：該標(biāo)準(zhǔn)闡述了設(shè)備和建筑物內(nèi)防爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施方法，重點(diǎn)通過主動(dòng)通風(fēng)與壓力釋放降低危險(xiǎn)燃燒事件發(fā)生的可能性。
NFPA 72：該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了煙霧探測器、報(bào)警信號(hào)裝置、火警站、熱探測器、火災(zāi)報(bào)警控制面板及相關(guān)設(shè)備的安全規(guī)范。
這些標(biāo)準(zhǔn)確立了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的基本要求，確保熱失控事件被控制在封閉空間內(nèi)，防止其擴(kuò)散，并有效降低不受控火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)，從而顯著提升電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性。
固態(tài)電池與非鋰離子電池等新興技術(shù)正為更安全、更可持續(xù)的替代方案鋪平道路，包括不可燃且無毒的電池儲(chǔ)能解決方案。鈉離子等非鋰離子電池或?qū)?huì)取代鋰離子電池，就像NMC電池在2010年代后期被LFP電池取代一樣，而提供更安全、更經(jīng)濟(jì)的替代方案，標(biāo)志著電池儲(chǔ)能行業(yè)的重大變革。
致力于開發(fā)與采用這些電池，體現(xiàn)了電池儲(chǔ)能行業(yè)對(duì)安全、可持續(xù)性與長期彈性的堅(jiān)定承諾。集成下一代儲(chǔ)能解決方案在加強(qiáng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可靠性的同時(shí)，推動(dòng)著更清潔、更安全的能源未來。
