鋰離子電池在儲能中的應(yīng)用及安全問題研究

郭小強(qiáng)

摘要：本文針對鋰離子電池在儲能中的應(yīng)用情況進(jìn)行分析，結(jié)合鋰離子電池在儲能中應(yīng)用安全問題，通過研究做好電池優(yōu)選工作、優(yōu)化存儲系統(tǒng)設(shè)計、建立多級防護(hù)機(jī)制、開發(fā)固態(tài)鋰電子電池、構(gòu)建發(fā)熱保護(hù)機(jī)制等措施，其目的在于充分發(fā)揮鋰離子電池應(yīng)用優(yōu)勢，提升儲能系統(tǒng)工作狀態(tài)的安全性。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;儲能系統(tǒng);爆炸問題;使用壽命

鋰離子電池主要是由石墨負(fù)極、含鋰的過渡金屬氧化物正極和電解液組成。在電動汽車普及度不斷提升的情況下，鋰電池的生產(chǎn)規(guī)模也在提升，加上退役電池二次利用率的提升，也使得鋰電池生產(chǎn)成本也在不斷降低，這也增加了鋰電池在儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用占比。

1鋰離子電池在儲能中的應(yīng)用分析

根據(jù)2019年統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以了解到，目前全球儲能累計裝機(jī)規(guī)模已達(dá)182.8GW，其中我國的儲能累計裝機(jī)規(guī)模已達(dá)33.8GW，其中所包含的電化學(xué)儲能容量達(dá)到了8089.2MW。根據(jù)2015-2019年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，目前國內(nèi)鋰電池在市場中占比從2015年的56.3%上升到了72.8%，并且該比例還處于繼續(xù)增長的狀態(tài)。相比于其他類型的電池材料，鋰電池在應(yīng)用中具備運行功率高、轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)次數(shù)多等優(yōu)勢，但是要保持良好壽命性能，也需要在使用階段提高電池管理能力，同時電池也存在一些安全性問題，這也是使用階段需要重點關(guān)注的內(nèi)容。

2鋰離子電池在儲能中應(yīng)用安全問題分析

2.1火災(zāi)問題

基于以往應(yīng)用經(jīng)驗可以了解到，鋰電池在燃燒過程中，并不需要氧氣進(jìn)行參與，主要也屬于內(nèi)部材料的化學(xué)反應(yīng)，對此傳統(tǒng)隔絕氧氣的滅火方法并不能起到良好的防護(hù)作用。而且一些電化學(xué)儲能電站所采用的消防標(biāo)準(zhǔn)，并不是適用目前的管理情況，并且所使用的滅火系統(tǒng)也不能確保其能否滿足應(yīng)用要求，這樣在發(fā)生火災(zāi)問題之后，也不能將火災(zāi)及時撲滅，而且也存在火災(zāi)事故迅速蔓延的情況，帶來更大的危害性。

2.2爆炸問題

在鋰電池使用過程中，也面臨著爆炸風(fēng)險。其主要原因在于，等待電池起火之后，鋰電池的溫度也會處于不斷增加的狀態(tài)，隨后在可燃?xì)怏w釋放的基礎(chǔ)上，也會進(jìn)一步加大燃燒速度，待火勢到達(dá)臨界點之后，很容易轉(zhuǎn)換為爆炸事故，從而帶來更大的危害性。

2.3腐蝕問題

等待電池出現(xiàn)著火、爆炸風(fēng)險之后，鋰電池儲能現(xiàn)場也將會面臨燒傷與炸傷的風(fēng)險。基于以往的應(yīng)用經(jīng)驗，電解液中所存在的六氟磷酸鋰在燃燒后，其釋放出來的氟化氫毒氣具備了較強(qiáng)的腐蝕性。在接觸到皮膚、眼睛時，也會帶來非常強(qiáng)烈的刺激感，如果人體吸入此類氣體后，其呼吸系統(tǒng)也會產(chǎn)生帶來非常嚴(yán)重的炎癥，威脅到個人身體健康。

3鋰離子電池安全問題的應(yīng)用措施

3.1做好電池優(yōu)選工作A

通過做好電池優(yōu)選工作，可以從根源上提升電池應(yīng)用過程的穩(wěn)定性，降低鋰電池安全隱患的發(fā)生概率。基于以往的應(yīng)用經(jīng)驗，導(dǎo)致鋰電池出現(xiàn)安全問題的原因包括生產(chǎn)過程中，有細(xì)小灰塵進(jìn)入到電池內(nèi)部、出現(xiàn)金屬毛刺、隔膜上出現(xiàn)微孔洞、漿料混合不均勻、容量匹配不合理、焊接處于虛焊等。基于此，在對鋰電池進(jìn)行選擇時，需要做好電池檢查工作，包括電池焊接狀態(tài)、隔膜完整性、金屬毛刺情況等，從而篩選出初始質(zhì)量較高的電池作為施工材料。并且在鋰電池梯次利用時也需要對鋰電池的健康狀態(tài)和鋰電池剩余壽命進(jìn)行診斷，并根據(jù)實際情況對其進(jìn)行篩選、分組處理、再生改造等，從而起到提高電池穩(wěn)定性的作用[1]。

3.2優(yōu)化存儲系統(tǒng)設(shè)計

通過優(yōu)化存儲系統(tǒng)設(shè)計，能夠提高儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定性，滿足相應(yīng)的運管要求。從實際應(yīng)用情況來看，需注意以下內(nèi)容：第一，在電池艙的四周艙壁都需要按要求進(jìn)行隔熱阻燃襯層的布置，其間多使用耐高溫、絕熱性能良好的材料參與施工，從而提高電池艙本身的阻燃性。第二，做好熱管理設(shè)計，在應(yīng)用中其核心內(nèi)容便是在有限的空間范圍內(nèi)，將鋰電池工作狀態(tài)保持在合理范圍內(nèi)，從而將鋰電池工作溫度也控制在合理范圍內(nèi)。第三，在系統(tǒng)設(shè)計中，也需要對空冷系統(tǒng)的流道、系統(tǒng)流向進(jìn)行調(diào)整，從而有效提升溫度分布狀態(tài)的均勻度，并且也需要加強(qiáng)新型冷卻介質(zhì)的使用，從而確保系統(tǒng)可以保持更加良好的散熱，滿足實際的應(yīng)用需求。

3.3建立多級防護(hù)機(jī)制

通過建立多級防護(hù)機(jī)制，可以持續(xù)提升鋰電池工作狀態(tài)的穩(wěn)定性，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運行要求。從具體實踐情況來看，在應(yīng)用中可以在電池內(nèi)部安裝煙霧探測器和溫度探測器，同時也會在內(nèi)部放置自啟動滅火裝置，在檢測到設(shè)備異常之后也會對問題位置進(jìn)行定位，同時啟動滅火器，起到及時滅火的作用[2]。在滅火期間，預(yù)警系統(tǒng)也會聯(lián)動繼電保護(hù)裝置，及時切斷電池運行狀態(tài)，以提高系統(tǒng)工作狀態(tài)的安全性。

3.4開發(fā)固態(tài)鋰電子電池

通過開發(fā)固態(tài)鋰電子電池，可以提高電池工作狀態(tài)穩(wěn)定性，滿足安全性應(yīng)用要求。在充放電過程中液態(tài)電解質(zhì)會形成鋰枝晶，鋰枝晶會降低電池壽命并產(chǎn)生內(nèi)短路。用非可燃性固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)電解液的全固態(tài)鋰離子電池，將徹底解決電池電解液腐蝕、泄露、副反映多的安全性問題。有機(jī)和無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)是目前鋰電池的主流研究方向，但固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率較低，結(jié)晶率高，擴(kuò)散速率要低于液態(tài)，而且電池內(nèi)阻較高[3]。目前研究出的凝膠/固態(tài)電解質(zhì)有：有機(jī)固態(tài)聚合物電解質(zhì)如聚環(huán)氧乙烷及其衍生物;氧化物晶態(tài)/非晶態(tài)固態(tài)電解質(zhì)如鋰磷氧氮、硫化物晶態(tài)、硫化物玻璃、玻璃陶瓷等。

3.5構(gòu)建發(fā)熱保護(hù)機(jī)制

通過構(gòu)建發(fā)熱保護(hù)機(jī)制，能夠提升系統(tǒng)運行狀態(tài)的穩(wěn)定性，降低安全問題發(fā)生概率。在實際應(yīng)用中，可以使用正溫度系數(shù)電極、熱聚合添加劑等技術(shù)來構(gòu)建發(fā)熱保護(hù)機(jī)制，這樣在探索到內(nèi)部溫度異常后，也會切斷電路系統(tǒng)，從而起到良好的保護(hù)作用，提升保護(hù)機(jī)制的應(yīng)用效果[4]。

結(jié)束語

綜上所述，做好電池優(yōu)選工作，可以從根源上提升電池應(yīng)用過程的穩(wěn)定性，優(yōu)化存儲系統(tǒng)設(shè)計，能夠提高儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定性，建立多級防護(hù)機(jī)制，可以持續(xù)提升鋰電池工作狀態(tài)的穩(wěn)定性，開發(fā)固態(tài)鋰電子電池，可以提高電池工作狀態(tài)穩(wěn)定性，構(gòu)建發(fā)熱保護(hù)機(jī)制，能夠提升系統(tǒng)運行狀態(tài)的穩(wěn)定性。通過采取合理措施來提升鋰電池運行狀態(tài)的安全性，對于促進(jìn)行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著積極的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]胡玉霞，趙光金.鋰離子電池在儲能中的應(yīng)用及安全問題分析[J].電源技術(shù)，2021，45（01）：119-122.

[2]馮也彧. 家用鋰離子電池儲能系統(tǒng)設(shè)計及集成技術(shù)研究[D].電子科技大學(xué)，2020.

[3]杜煒凝，周楊，于曉蒙，馬駿毅，劉昶，吳耀東.基于鋰離子電池儲能系統(tǒng)的消防安全技術(shù)研究[J].供用電，2020，37（02）：34-40.