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储能风口已来 但我们能不能解决储能电池安全问题?

文章出处:高格官网责任编辑:高格小编作者:高格科技人气:发表时间:2021-11-15 11:09:31 【

一、电化学储能迅猛发展,安全事故却频频发生
在“碳达峰碳中和”目标持续推进和大力发展以新能源为主体的新型电力系统的新时代背景下,电化学储能成为构建新型源网荷储电力系统中不可或缺的关键环节,但安全问题也日益凸显。
最近几年来,储能电站事件频发。7月30日,位于澳大利亚维多利亚州、特斯拉旗下非常大的储能电站发生火灾,大火持续整整三天。4月16日,北京一座储能电站起火爆炸,造成了两名消防员牺牲。中国储能网通过对行业公开信息进行搜集整理,汇总了2011-2021年间,全球储能项目主要火灾或爆炸事故,并对此作出分析:近10年间,全球共发生32起储能电站起火爆炸事故。其中,日本1起、美国2起、比利时1起、中国3起、韩国24起。他们指出,32起储能电站起火爆炸事故可以归纳为4个特征,一是25起事故采用三元锂离子电池;二是韩国储能电站起火爆炸事故占24起,这与韩国各大电池企业以三元锂电池为主流产品有关;三是2017年以后的储能项目占30起;四是储能电站起火爆炸大多发生在充电中或充电后休止中,占21起。
 
二、储能电站安全事故原因分析
储能电站安全事故为何频频发生?有没有可靠有效的方法预防事故或降低损失?事实上,储能电站安全问题是系统性问题,往往由某一因素引发、多因素交互作用演化发展,最终导致储能的起火或爆炸。储能电站发生安全事故主要有以下原因:
1、直接诱因
电池本体故障:电池制造过程的瑕疵及电池老化带来的储能系统安全性退化。
外部激源:储能电池在外界电、热激源刺激下,电池会发生热失控反应,释放出大量高温可燃的气液混合物,遇到外部空气中的氧气,在条件合适的时候,就会发生爆炸。
运行环境因素:外界的电、热干扰都会影响到储能系统,因此一般都对储能系统的环境有要求,比如避免环境温度过高。
管理系统故障:目前的储能锂电池系统多数缺乏内部可控的安全设计,一旦某个电池出现热失控,很容易导致电池系统的整体失控。
2、人为因素
操作失误或现场处置不当:储能是个高电压、高能量的系统,在集成、安装、调试、运行等过程中,现场人员如果操作失误或者现场处置不当,很容易会出现安全问题。
3、根本原因
制度不健全和管理不规范:与电动汽车行业100多项国家标准相比,储能行业的国家标准还不到20项,建立健全的储能技术标准和检测认证体系已迫在眉睫,包括储能设备及系统术语定义、储能电站控制保护设备基本技术条件、储能电站及电池系统运行维护、储能电站运行环境要求、储能电站消防安全等方面。
储能电站安全事故原因分析(图表为网络作者整理制作)
因此,若是能够建立健全储能电站相关制度与标准体系,辅以规范化、科学化的管理,对操作人员、施工人员进行严格的安全意识和安全操作培训,及时排查故障并维持稳定的运行环境,储能电站的安全性可以得到较好的保障。
三、近期电化学储能安全学术研究汇总
近年来,学术界对电化学储能安全,尤其是锂离子电池的安全问题投入了越来越多的关注,在反应机理、理论模拟、预警机制、解决策略、测试标准等方面取得了系列进展,接下来重点介绍近两年与电化学储能安全相关的综述研究:
1、Energy Storage Mater.:锂离子电池在机械过载时的安全问题及机理
由于智能手机、平板电脑、笔记本电脑和其他电子设备的快速发展以及电动汽车数量的持续增加,电池安全引起了全世界的关注。机械滥用条件是非常严重的情况之一,可能会导致灾难性后果,例如锂离子电池起火或爆炸。北京航空航天大学许骏教授等人发表的这篇综合综述旨在通过对机械滥用载荷下每个电池发展阶段的实验、理论和建模研究的回顾来描述锂离子电池的完整机械电化学热耦合行为。此外,这篇综述总结了一个先进的建模框架来描述电池的多物理行为。本综述的目的是汇编研究,以了解安全问题,并揭示电池单元机械完整性
危险行为的机理。
2. J. Energy Chem.:对锂离子电池安全问题的回顾——问题、策略和测试标准
高效可靠的储能系统对我们的现代社会至关重要。 性能优异的锂离子电池(LIB)广泛应用于便携式电子产品和电动汽车(EV),但频繁的火灾和爆炸限制了其进一步和更广泛的应用。 清华大学深圳研究生院李宝华教授等人总结了 LIB 安全的各个方面,并讨论了相关问题、策略和测试标准。 具体来说,该综述首先简要介绍 LIB 的工作原理和电池结构,然后概述臭名昭著的热失控,重点介绍机械、电气和热滥用的影响。后续部分梳理了提高电池安全性的策略,包括通过电池化学、冷却和平衡的方法,然后描述当前的安全标准和相应的测试。 文章最后深入了解了潜在的未来发展和更安全的 LIB 的前景。
3. J. Power Sources:锂离子电池安全策略综述
自从电动汽车在世界市场上销售剧增以来,全球各地频繁发生火灾事故。这些事故导致了车辆损毁和乘客伤亡,进而引发电动汽车用户积极性衰退。鉴于此,泰国国王科技大学Yossapong Laoonual等人对锂离子电池的热危害和消除热失控危险的有效安全策略进行了综述。首先,他们解释了热失控(TR)及其相关链式反应的机理,如SEI层的击穿、负极/电解质之间的反应、电解质的击穿、电极之间的反应等,这些反应反过来会产生巨大的热能和各种易燃气体。在组件级,主要问题是TR传播到模块内部和模块之间的相邻电池。TR传播事件将热效应传递给相邻的电池,最终导致电池组灾难性损坏。因此,为了降低锂离子电池的热危害,他们总结提出了适当的措施,例如使用热保护分离器、安全装置、阻燃剂、被动冷却装置和灭火剂。
4. J. Electrochem. Soc.:锂离子电池防火安全综述——行业挑战与研究贡献
锂离子电池 (LIB) 是目前和未来能源存储、运输和消费电子产品的一项重要技术。然而,许多 LIB 类型显示出可燃或释放气体的倾向。尽管在统计上很少见,但 LIB 火灾造成的危害在引发途径、蔓延速度、持续时间、毒性和抑制方面与其他火灾危害显着不同。伦敦理工学院Gregory Offer教授等人首次收集和分析了 LIB 行业跨部门面临的安全挑战,并将其与该领域所有评论论文中的研究贡献进行了比较。比较确定了未来的知识差距和机会。行业和研究工作都同意了解组件和电池尺度上的热失控的重要性,以及开发预防技术的重要性。但是,很少有研究关注模块和组件规模的安全性,或者其他防火层,如分隔、探测或灭火。为了弥补发现的差距并加速新的 LIB 安全解决方案的到来,他们建议电池和消防安全社区之间进行更密切的合作,这可以推动跨部门 LIB 安全的改进、整合和协调。
5、Acta Phys. -Chim. Sin.:金属锂电池的热失控与安全性研究进展
锂离子电池在便携式储能器件及电动汽车领域得到了广泛应用,然而频繁发生的电池起火爆炸事故,使热失控和热安全问题备受人们关注,目前已有多篇综述报道了缓解锂离子电池热失控的措施。相比于已经接近理论比能极限的锂离子电池,金属锂负极具有更高的比容量、更低的电势和高反应活性,但是不可控的锂枝晶生长,使得金属锂电池的热失控问题更为复杂和严重。针对金属锂电池的热失控问题,浙江大学陆盈盈研究员等人在这篇综述中首先介绍了热失控的诱因及基本过程和阶段,其次从材料层面综述了提高电池热安全性的多种策略,包括使用阻燃性电解质、离子液体电解质、高浓电解质和局域高浓电解质等不易燃液态电解质体系,开发高热稳定性隔膜、热响应隔膜、阻燃性隔膜和具有枝晶检测预警与枝晶消除功能的新型智能隔膜,以及研究热响应聚合物电解质,最后对金属锂电池热失控在未来的进一步研究进行了展望。
 
四、国家发改委、国家能源局就电化学储能电站安全管理暂行办法征求意见
除了工业界和学术界,国家政府也对电化学储能安全投入了关注,并做出决策部署。近日,为深入贯彻中央领导同志关于电化学储能电站安全管理指示批示精神,加强电化学储能电站安全管理,国家发展改革委、国家能源局发布了关于对《电化学储能电站安全管理暂行办法
(征求意见稿)》(以下简称《暂行办法》)公开征求意见的公告,向社会公开征求意见,此次征求意见的时间为2021年8月24日至2021年9月23日。该《暂行办法》全文共分为九章,分别为总则、项目准入、产品制造与质量、设计咨询、施工及验收、并网及调度、运行维护及退役、应急管理与事故处理、罚则,总计四十九条。
《电化学储能电站安全管理暂行办法(征求意见稿)编制说明》内容导图(图表为网络作者整理制作)
此次公告还同时发布了《电化学储能电站安全管理暂行办法(征求意见稿)编制说明》(以下简称《编制说明》),分别从编制背景、编制依据、编制思路、编制过程、主要内容、需要说明的几个问题等六个方面进行详细说明。《编制说明》重点阐述了《暂行办法》的编制思路,突出强调了三条主线(即以强化电站本质安全管理为主线,以建立健全电站安全管理体 系为主线,以加强电站消防应急管理为主线)和五个机制(即建设单位主体责任机制、项目准入机制、质量管控机制、并 网检测机制与政府协作共管机制)。
此外,在关于《暂行办法》实施配套标准的说明中提到,《暂行办法》首次规定了储能电站的安全管理,提出了针对储能特点的一些新制度设计,由于储能电站属于
快速发展的新兴行业,部分标准规范尚未出台,下一步,计划配套《暂行办法》出台抓紧研究相应标准规范,细化技术指标和操作流程,保障《暂行办法》的有效实施。
注:文章来源于各种文献,来源于网络文摘。

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