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探究儲能電池高安全、長壽命、低成本的三要素
日期:2023-07-18   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:sy_huamengqi 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
儲能電池作為現(xiàn)代能源領(lǐng)域的重要組成部分,正扮演著越來越重要的角色。然而,要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和清潔能源轉(zhuǎn)型,儲能電池需要具備高安全性、長壽命和低成本的三個關(guān)鍵要素。本文將深入探討這三個要素在儲能電池領(lǐng)域的重要性,并探索當(dāng)前的研究和創(chuàng)新努力,以期實(shí)現(xiàn)完美的儲能電池。

近日,中科院院士歐陽明高公開表示:“一般認(rèn)為磷酸鐵鋰電池是比較安全的。本質(zhì)上對于小的磷酸磷酸鐵鋰電池的確如此,但大容量電池,像320Ah的電池,其內(nèi)部溫度可以超過800度,這超過了磷酸鐵鋰正極分解的溫度。”

容量越大,熱失控風(fēng)險(xiǎn)越高

磷酸鐵鋰小容量電池和大容量電池安全性的區(qū)別主要在于:電池內(nèi)部溫度是否超過正極材料分解溫度。磷酸鐵鋰電池正極材料一般500℃才可能出現(xiàn)分解現(xiàn)象,磷酸鐵鋰正極材料小容量磷酸鐵鋰電池內(nèi)部溫度一般是300-400℃,大容量磷酸鐵鋰電池內(nèi)部溫度可超過800℃。

這也是為什么大容量磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)更高的原因。

爆燃指數(shù)是三元電池的兩倍

對比磷酸鐵鋰電池和三元電池,磷酸鐵鋰電池的燃爆指數(shù)是三元電池的兩倍。三元電池是自己容易熱失控,自己把自己點(diǎn)著,磷酸鐵鋰電池則不然,自己點(diǎn)不著,可氣體爆炸風(fēng)險(xiǎn)更高,遇到明火更危險(xiǎn)。三元電池,內(nèi)部溫度約200℃時(shí),正極材料會分解并釋放氧氣,在高溫下電解液迅速燃燒,燃燒更劇烈。大容量磷酸鐵鋰電池,內(nèi)部溫度超過500℃后,正極材料開始分解,電池發(fā)生熱失控,產(chǎn)生大量可燃電解液蒸汽(含氫氣等,不含氧氣),隨著SOC增加,氫氣濃度增加,可達(dá)50%以上(氫氣的爆炸極限是4.0%~75.6%),爆炸風(fēng)險(xiǎn)更高,但燃燒劇烈程度較三元電池更低。

大容量趨勢,安全難保障

近日,在CIBF深圳國際電池技術(shù)展會中,多家儲能電池頭部企業(yè)展示了300Ah及以上容量的儲能型磷酸鐵鋰電芯產(chǎn)品,電芯容量提升已成為行業(yè)發(fā)展趨勢。媒體統(tǒng)計(jì)了其中16家企業(yè)的大容量儲能型磷酸鐵鋰電芯產(chǎn)品,并進(jìn)行了容量排名。雄韜股份的儲能電芯產(chǎn)品以580Ah的容量排名,緊跟其后的是億緯鋰能的560Ah儲能電芯產(chǎn)品,第三則是?;履茉吹?75Ah電芯產(chǎn)品。

儲能型大容量電芯成發(fā)展趨勢,如何保障電池安全是所有儲能電池企業(yè)必須面對的難題。

全固態(tài)電池是未來

儲能關(guān)注三個要素:長壽命、低成本、高安全。對于以磷酸鐵鋰為代表的電化學(xué)儲能來說,長壽命相對容易實(shí)現(xiàn),低成本隨著行業(yè)規(guī)模提升終將得到解決,貫穿始終的將是安全性問題。為了提升儲能安全,市場給出的解決方案之一是開發(fā)不同的儲能技術(shù)。例如,從本征角度出發(fā),研發(fā)固態(tài)電池或者水系電池,實(shí)現(xiàn)電池安全到安全電池的發(fā)展。歐陽明高院士表示,他們認(rèn)為本征安全的最終目標(biāo)是全固態(tài)電池。全固態(tài)電池的優(yōu)點(diǎn)主要有兩個:其一,固態(tài)電解質(zhì)替代液體電解質(zhì)和隔膜,固態(tài)電解質(zhì)燃點(diǎn)非常高,不存在漏液現(xiàn)象,可顯著提升電池安全性;其二,全固態(tài)電池能量密度更高,可達(dá)400Wh/kg,鋰硫/鋰空電池有望實(shí)現(xiàn)500Wh/Kg。但是,現(xiàn)階段全固態(tài)電池工藝并不成熟,仍處于研發(fā)階段,存在離子電導(dǎo)率低、循環(huán)壽命差、倍率性能差、成本高昂等問題,制約了商業(yè)化進(jìn)程。根據(jù)EVTank的預(yù)測,至2030年全球固態(tài)電池滲透率為10%,需求達(dá)到276.8GWh。2023-2030年,全球固態(tài)電池需求增長的CAGR為63.7%。

北京市應(yīng)急管理局近日正式公布“4.16集美儲能電站火災(zāi)事故”的調(diào)查報(bào)告。調(diào)查報(bào)告顯示,起火直接原因系電池間內(nèi)的磷酸鐵鋰電池發(fā)生內(nèi)短路故障,引發(fā)電池?zé)崾Э仄鸹?,事故產(chǎn)生的易燃易爆組分通過電纜溝擴(kuò)散,與空氣混合形成爆炸性氣體,遇電氣火花發(fā)生爆炸。調(diào)查歷時(shí)半年之久,對事故的來龍去脈進(jìn)行了科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治霾⒌贸鼋Y(jié)論,對行業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展具有深刻的借鑒和指導(dǎo)意義。事故發(fā)生后,多個執(zhí)行中的項(xiàng)目也因此放緩腳步,已投運(yùn)的多個項(xiàng)目也暫時(shí)被停運(yùn),消防安全成為行業(yè)刻不容緩、不容回避的問題。

隨著雙碳目標(biāo)的推進(jìn),磷酸鐵鋰電池為主的電化學(xué)儲能電站裝機(jī)容量呈現(xiàn)“倍增式”增長態(tài)勢,但由于磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э刂鸷箅y以抑制其復(fù)燃的特點(diǎn),消防安全成為行業(yè)內(nèi)的最大難點(diǎn)之一,同時(shí)相關(guān)的規(guī)程規(guī)范也較為缺失,儲能電站的安全運(yùn)行壓力和安全隱患明顯增加,安全問題始終是懸在行業(yè)頭頂?shù)?ldquo;達(dá)摩克利斯之劍”。安全問題引發(fā)行業(yè)包括國家層面的廣泛關(guān)注,為此,國家發(fā)展改革委、國家能源局起草了《電化學(xué)儲能電站安全管理暫行辦法》,從項(xiàng)目準(zhǔn)入、質(zhì)量管控、施工驗(yàn)收、應(yīng)急處置等方面規(guī)范儲能電站的安全管理工作,提出了包括建立健全儲能電站備案制度、委托具有專業(yè)儲能檢測資質(zhì)的機(jī)構(gòu)對安全相關(guān)的核心部件或單元開展到貨抽檢、投運(yùn)前應(yīng)通過消防驗(yàn)收等要求。

電池發(fā)生燃燒爆炸的根源在于電池?zé)崾Э?,誘發(fā)電池?zé)崾Э氐脑蛑饕袃深悾阂活愂请姵貎?nèi)部原因,比如電池制造過程中引入的電芯內(nèi)缺陷,或者電池在長期使用過程中由于充放電制度和環(huán)境因素使電池老化,電芯內(nèi)部產(chǎn)生了枝晶鋰,或者是電池管理系統(tǒng)策略不當(dāng),觸發(fā)了電池內(nèi)短路。另一類是電池外部原因,電池外部的電、熱沖擊,作用到電池本體上都會使電池內(nèi)部出現(xiàn)不可逆的放熱反應(yīng)。如果在電池儲能系統(tǒng)集成過程中,沒有嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對儲能電池提出門檻性的安全性能要求,出現(xiàn)電池選型不當(dāng),電池的基本安全質(zhì)量都無法確認(rèn)和保障。磷酸鐵鋰電池發(fā)生熱失控后,會產(chǎn)生氫氣、一氧化碳、甲烷等可燃?xì)怏w,當(dāng)達(dá)到一定濃度后,與空氣中的氧氣結(jié)合,在達(dá)到一定的溫度時(shí)就會觸發(fā)火災(zāi)甚至爆炸。為此,儲能電站需制定嚴(yán)格的消防措施,例如配置可燃?xì)怏w探測器、采用更有效的消防介質(zhì),制定更完善的消防聯(lián)動措施。出于消防安全考慮,儲能設(shè)備以戶外預(yù)制艙布置為主,“預(yù)防為主,防消結(jié)合”是儲能電站的核心安全理念。

高安全性、長壽命和低成本是儲能電池發(fā)展中不可或缺的三個要素。雖然當(dāng)前的技術(shù)還面臨一些挑戰(zhàn),但隨著科技的不斷進(jìn)步和研究的深入,我們有理由相信未來會有更多創(chuàng)新和突破,使儲能電池在安全性、壽命和成本方面實(shí)現(xiàn)更大的提升。這將為清潔能源的普及和可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)大的支持,為我們創(chuàng)造一個更清潔、更可靠的能源未來。

原標(biāo)題:探究儲能電池高安全、長壽命、低成本的三要素
 
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