在當前迅猛發(fā)展的清潔能源產業(yè)中，鋰離子電池儲能系統(tǒng)作為重要能源存儲裝置，其安全性一直是一個關鍵問題，因此鋰電池儲能系統(tǒng)液氮滅火裝備的研發(fā)是一項具有重要意義的科技創(chuàng)新成果。由河北電科院與中國礦業(yè)大學共同完成的科研項目“鋰電池儲能系統(tǒng)液氮滅火裝備”可實現(xiàn)鋰電池儲能系統(tǒng)火災惰化防爆和快速滅火，為鋰電池儲能系統(tǒng)火災防控提供了一種更加高效、低成本且環(huán)保的解決方案。據(jù)了解，鋰電池儲能系統(tǒng)液氮滅火裝備日前已投入應用。
探索鋰電池儲能系統(tǒng)滅火新思路
近年來，我國儲能電站規(guī)模不斷擴大，為電網“削峰填谷”發(fā)揮重要作用。鋰電池儲能具有能量密度大、效率高、壽命長等優(yōu)點，是目前我國電化學儲能的主要類型。然而，更大的能量密度意味著更高的安全風險。
“鋰電池在出現(xiàn)內部故障、被猛烈撞擊或穿刺及受熱等情況下可能產生熱失控，釋放大量可燃、有毒的氣體?！倍嗄暄芯侩娏υO施消防安全技術的河北電科院正高級工程師賈伯巖介紹，尤其是在封閉的鋰電池儲能站電池預制艙內，電池布置密度大，一旦發(fā)生熱失控，易引發(fā)大規(guī)模的連鎖反應，導致火災甚至爆炸。因此，鋰電池儲能系統(tǒng)需要配置滅火和抑制爆燃的裝置。
當前，鋰電池儲能站電池預制艙內多使用以全氟己酮、七氟丙烷為主要成分的氣體滅火劑，或以細水霧滅火劑為代表的水基型滅火劑。但是，這兩種類型的滅火劑在阻斷連鎖反應和抑制爆燃等方面具有局限性：氣體滅火劑冷卻能力不足，無法有效阻斷鋰電池熱失控的連鎖反應；水基型滅火劑惰化能力不足，無法有效阻止鋰電池爆燃。因此，河北電科院電氣設備消防安全研究人員決定探索一種更適用于鋰電池的滅火抑爆方式。他們借鑒分析國內外多種滅火、抑制爆燃的方案，討論具體技術路線。
“我們發(fā)現(xiàn)，鋰電池熱失控加上可燃氣體在艙室內急劇累積是造成鋰電池爆燃的主要原因。因此，理想的滅火劑要同時具備良好的冷卻降溫和惰化窒息性能?！辟Z伯巖說。液氮釋放后能快速汽化并吸收大量熱量，實現(xiàn)惰化防爆且無污染。據(jù)此，他們初步選定液氮作為滅火劑。
2020年7月，河北電科院聯(lián)合中國礦業(yè)大學組建攻關團隊，啟動“鋰離子電池儲能站電池預制艙火災液氮防控技術與裝置研發(fā)”項目，開始開展鋰電池儲能系統(tǒng)液氮滅火技術研究。
通過對比試驗選定滅火劑
雖說液氮的理論性能優(yōu)異，但在實際使用中表現(xiàn)如何仍待檢驗。攻關團隊首先搭建了鋰電池熱失控滅火試驗平臺，以容量為60安時的磷酸鐵鋰電池組為試驗對象，測試液氮、七氟丙烷、全氟己酮、干粉、細水霧、泡沫等10種滅火劑的性能。
試驗結果表明，相比其他滅火劑，液氮的滅火效果和降溫能力都更加出色。同時，攻關團隊從滅火效果、環(huán)保和經濟三個維度，構建了包含13個指標的鋰電池滅火劑綜合評價體系，計算得出10種滅火劑的綜合得分。結果顯示，液氮綜合得分為第一名。
“我們還發(fā)現(xiàn)，液氮噴放后，噴放口附近的環(huán)境溫度能降至零下100攝氏度，所產生的極低溫環(huán)境能阻斷鋰電池熱失控的傳播鏈條，保護尚未發(fā)生熱失控的鋰電池，且低溫環(huán)境不會損壞鋰電池性能?！惫リP團隊成員、中國礦業(yè)大學教授張國維說，這些研究結果進一步堅定了攻關團隊采用液氮作為滅火劑的信心。
將液氮實際應用到鋰電池儲能系統(tǒng)火災防控中還有一些問題需要解決。“不同的液氮噴射工況，例如液氮注入時間、噴射時長、注氮位置等，都會影響液氮的滅火性能?！睆垏S介紹。掌握液氮滅火性能的影響機制是液氮滅火技術工程化應用的關鍵。
攻關團隊在大量試驗和理論研究的基礎上，初步完成了鋰電池儲能系統(tǒng)液氮滅火技術研究。研究成果揭示了液氮滅火過程中的熱流衰退規(guī)律，明確了液氮滅火性能的關鍵影響機制，提出了液氮高效滅火方法，為鋰電池儲能系統(tǒng)液氮滅火裝備的研發(fā)打下了基礎。
研發(fā)使用液氮滅火裝備
有了理論研究和技術支撐，攻關團隊進一步研發(fā)鋰電池儲能系統(tǒng)液氮滅火裝備，于2021年12月研制出了適用于鋰電池預制艙的液氮滅火系統(tǒng)樣機。2023年5月，在相關技術與裝備經過長期系統(tǒng)性檢驗后，鋰電池儲能系統(tǒng)液氮滅火裝備在河北電科院10千伏/100千瓦/100千瓦時鏈式分布式儲能系統(tǒng)正式投入使用。這是該裝備首次應用于真實場景下的電化學儲能裝置中。
“鋰電池儲能系統(tǒng)液氮滅火裝備能夠根據(jù)需求通過管線連入鋰電池簇內或電池組模組內部，由內置驅動裝置提供動力，高效、精準地噴放液氮。”國網河北電力設備部技術處副處長何瑞東說。
液氮滅火技術及裝備的投入使用降低了鋰電池儲能系統(tǒng)大規(guī)模火災爆炸事故發(fā)生的可能性。河北電科院計劃在鋰電池儲能系統(tǒng)液氮滅火裝備的基礎上，研制“監(jiān)測-干預-處置”防控一體化成套裝置，將鋰電池熱失控遏制在“未燃”狀態(tài)，進一步提升鋰電池儲能行業(yè)安全水平。
鋰電池儲能系統(tǒng)液氮滅火裝備的研發(fā)具有重要的意義和價值。它為鋰電池儲能系統(tǒng)火災防控提供了一種更加高效、低成本且環(huán)保的解決方案。然而，我們也應意識到裝備的局限性和問題，并繼續(xù)加大研發(fā)力度，以進一步提升其性能和可靠性，推動清潔能源產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
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