蓄电站的安全性--杨裕生

蓄电站的安全性问题蓄电站的安全性问题杨裕生杨裕生2012,10中国国际储能电站技术发展高峰论坛上海内容一、几个基本观念二、安全性的衡量尺度三、影响安全的因素四、要重视新型水电解液电池的发展与应用结束语一、几个基本观念•首先，要承认电池组像汽油箱那样是一种含高能物质的部件;•而且，锂离子电池中的电解液还是用易燃的溶剂配制而成；•电池组又是在高电压、大电流下运行。所以，电池具有危险性的本质，且随着电池比能量和比功率的提高，发生事故的危险性将增大。•其次，要将电池作为使用易燃、易爆物品和高电压器件一样对待要制定并严格执行安全设计标准和使用规范•昀后，要认识，安全性是一个事故概率问题，安全因素控制得好，发生危险事故的概率就降低二、安全性的衡量尺度安全性的实质就是事故概率。既然是概率，它就可以用数值来表示。例如核反应堆设计时，安全性要求达到10－5或10－6/堆·年。要达到如此低的事故概率一要有高水平的设计、制造能力；二要在运行中有一套严密的操作规程和严格的维修保养制度来保障。对于飞机要达到飞行109小时无机毁人亡事故。我国现有约1亿辆燃油汽车，平均每天发生一起自燃事故；每辆汽车平均按每天行驶100公里计，事故概率正是1010车公里发生一起燃烧事故。公众似乎可以接受这样电动汽车的事故概率二、安全性的衡量尺度•电池储能电站的事故概率应该如何定义？•事故概率应该定在什么水平？•我们曾经一再指出钠硫电池的安全性差。1、钠硫电池的安全性•可是，国家电网公司及其所属系统片面地从“技术新颖性”出发，先是支持国内研发，后又热衷于高价购买日本储能电站，并称日本几十座钠硫电池储能电站20年来未发生事故。•事有凑巧，正与日商讨价还价之际，20112011年年22月和月和99月日本接连烧掉两座钠硫电池储能电站月日本接连烧掉两座钠硫电池储能电站，购买日本钠硫电池储能电站之事方肯“暂停”了。三、影响安全的因素（一）电池的品种——昀为根本•此事提醒人们，大规模使用储能电池时，应该参考核电站那样事先认真评估其安全性。•可以估算出日本钠硫电池储能电站的事故概率事故概率约为约为1010－－33//站站··年年•换句话说，建1000座与日本平均容量相当的钠硫电池储能电站，每年就可能燃烧一座。三、影响安全的因素（一）电池的品种•锂离子电池中的电解液是用易燃的溶剂配制；•正、负电极上的氧化剂和还原剂只隔一层约20微米厚的隔膜；•在达到一定温度时，氧化剂和还原剂均易与电解液发生大量生热的化学反应；•在各种动力电池中，锂离子电池的比能量昀高，化学副反应放热量大，昀易造成电池内气压升高，重则爆炸，轻则电解液泄漏而易燃烧。2、锂离子电池的安全性三、影响安全的因素（一）电池的品种•所以，锂离子电池蓄电站的安全性也值得重视。提高锂离子电池的安全性•要推广应用对水不敏感的电解质减少溶剂用量的聚合物（或凝胶）电解质•电解液添加阻燃剂、防过充或防过热的聚合物单体•涂有陶瓷微粉的耐热、不收缩隔膜。•减低电池的内阻有利于减少电池的温升，十分重要，全极耳和极耳与极柱一体化等专利技术应该推广。三、影响安全的因素具有高比功率、超长寿命、较高电压等突出优点，可解决短时间、大功率储-放电问题；也有的储能电站将其与电池并联使用，以提升和扩展电站的功能。有人认为，这种超级电容器比能量低，安全不会有大问题。三、影响安全的因素3、有机电解液超级电容器但是，美国夏威夷Kahuku岛30兆瓦风电场的15兆瓦电池储能电站，使用Dyna公司超级电容器，发生三次着火引发大火（2011年4月、2012年5月及8月1日），给人们敲响了警钟。（一）电池的品种三、影响安全的因素4、水电解液电池的安全性泄漏时有腐蚀的危险不过，燃、爆性要低得多但是也并非绝对不出问题——碱性的水溶液电解液——酸性的水溶液电解液金属氢化物/镍电池铅酸电池充电时水电解产氢氧铅酸电池是安全性昀高的电池，而且价格低廉，循环寿命和比能量也在不断提高中。铅酸电池的这个问题已经得到较好解决（一）电池的品种三、影响安全的因素5、液流电池的安全性全钒液流电池的钒有毒，一定要做好与环境隔绝可以大规模蓄电的液流电池近些年发展迅速，得益于其使用水电解液而具有极低的爆燃危险性。新近发展的锌-溴液流电池和锌-氯液流电池，虽然有些优点，但是元素态的溴和氯有毒性和腐蚀性，容易泄漏，在大规模蓄电站中使用，务必做好防止有毒气体泄漏的事故发生。（一）电池的品种三、影响安全的因素5、液流电池的安全性2011年国内曾有人提出有机电解液的液流电池新体系构想，并欲申请2012年国家863计划项目。显然，这样的有机电解液新体系，已与液流电池的高安全性初衷背道而驰，难有实用前景，863计划不必支持。如果，成千上万立方米的有机电解液成天在储能电站的复杂管道中流动，一旦发生事故后果将不堪设想。三、影响安全的因素（二）电池的设计水平锂离子电池正极材料如用磷酸亚铁锂，安全性要高于其他正极材料，但也会发生问题，近些年发生的事故大多数用的就是磷酸亚铁锂做正极；负极用硬碳，硅、钛酸锂，安全性可优于石墨优选电解液、隔膜均有可能提高电池的安全性但是这些技术往往以牺牲电池的比能量和比功率为代价，应该综合考虑。今年4月淄博镍氢电池公交车大火，原因可能是将负极的储氢合金以过多的活性炭替代，造成正极活性物质过量，导致电池中积累了氢气和氧气。（三）电池的质量有些厂家电池试制出来不经长期充分考验，连单体电池的故障率参数还无法统计就急于组装交付演示，电池组的安全性从何谈起？同样以磷酸亚铁锂做正极的锂离子电池，有些厂家生产的电池发生的事故多些，有的就少些，还有的根本没有发生事故；同一个厂，改进生产工艺、加强质量管理后，电池发生事故的概率明显下降。这些都充分说明，提高生产质量对改善安全性的重要作用。电池单体的品质还表现在寿命、容量、内阻和自放电率的一致性，它们也与安全性密切相关。三、影响安全的因素（四）电池的总容量电池的总容量电池的总容量==电池的单体数电池的单体数××每个单体容量每个单体容量不言而喻，这是与事故概率成正比的基本因素。不言而喻，这是与事故概率成正比的基本因素。三、影响安全的因素•现在，电动公交车的锂离子电池装载量约为200千瓦时，事故率已不低。（~10－3/车·年）•储能电站的电池容量大于电动汽车百倍，如用品质相当的锂离子电池，其事故概率就有可能也大百倍（~10－1/站·年）。（五）使用时间的长短也可用充放电次数或使用年数来表达此因素。电池组持续使用后，各单体的容量下降和内阻升高的程度将不同，而且使用时间越长此等差别越大，发生问题的概率随之上升。三、影响安全的因素（六）安全措施的有效性管理系统是保证电池组正常工作的有效部件，管理系统失灵可能产生严重后果。电池的卸压机构（安全阀等）可有效地防止电池爆炸，其可靠性越高，发生爆炸的概率越低。但是，从卸压机构泄出的电解液或气体与空气相遇后仍有燃烧的危险性，这可能就是软包装和塑料壳电池不爆炸而会燃烧的原因。三、影响安全的因素优良的管理系统牢靠的连接方法有效的散热途径稳妥的空气隔绝及时的监测报警正确的灭火措施等等贯彻这些防火设计原则和相应的技术措施，将有助于提高蓄电站的安全性。蓄电站防火功能设计电池组有效散热和隔绝空气相结合的专利技术，对于防止电池燃烧很有价值。三、影响安全的因素（七）使用的合理性不按电池组的特性行事，后果严重。电池组的使用中要尽量避免快充电、充满电、放完电；要杜绝过充、过放。过充和过放不仅会损伤电池的寿命，而且也增加发生事故的危险性。即使是按标称容量全充全放，也不应受到鼓励。超限的、过大的电流，使电池温度将陡然上升，如过流保护机构缺失或失灵，将可能触发安全事故的发生。三、影响安全的因素（八）其他因素蓄电站对各种意外因素（如暴雨、海啸造成的水淹，意外的严重撞击等）的调控力和适应性等等。三、影响安全的因素四、要重视新型水电解液电池的发展与应用储能电站安全第一。作为经营单位，经济效益也很重要，应该使用能量转换效率高、寿命长、造价和运行成本低、适当兼顾比能量的电池。因此，应高度重视新型水电解液电池的发展与应用：1、大力发展新型液流电池——能量转换效率高于80%、造价低于2元/Wh、循环寿命达10000次；现有液流电池也应提高到这个水平。四、要重视新型水电解液电池的发展与应用2、在持续治理铅污染的同时，积极支持研制比能量大于50Wh/kg、循环寿命达3000次（80%DOD）、价格低于0.6元/Wh的新技术铅酸电池。3、鼓励发展水电解液储能电池新体系——比能量大于50Wh/kg、循环寿命达4000次、价格低于0.8元/Wh、生产-回收全过程环境友好使用上述电池的蓄电站，在合适的进、出电价条件下，均有可能取得YCC指数达1.0的运行效果，且有较高的安全保障。结束语大规模蓄电的储能电站，务必将安全放在一切需要考虑的问题之首。①如何将安全指标落实（分配）到蓄电站（主要是电池）的各项设计措施中②如何通过蓄电站实际达到的各项性能，计算出该蓄电站的安全水平（或事故概率）③通过计算出的各电站事故概率，指导该电站提高安全性要提高蓄电站的安全性，需要立项，系统地研究其安全性规律和用数值来表达安全性（即事故概率）这是一个难度大而又十分重要的课题谢谢！谢谢！