在當前迅猛發(fā)展的清潔能源產(chǎn)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(guān)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(zāi)惰化防爆和快速滅火，為鋰電池儲能系統(tǒng)火災(zāi)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(yīng)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(wǎng)“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(nèi)部故障、被猛烈撞擊或穿刺及受熱等情況下可能產(chǎn)生熱失控，釋放大量可燃、有毒的氣體?！倍嗄暄芯侩娏υO(shè)施消防安全技術(shù)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(yù)制艙內(nèi)，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(yīng)，導致火災(zāi)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(yù)制艙內(nèi)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(yīng)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(yīng)；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(shè)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(nèi)外多種滅火、抑制爆燃的方案，討論具體技術(shù)路線。
“我們發(fā)現(xiàn)，鋰電池熱失控加上可燃氣體在艙室內(nèi)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(guān)團隊，啟動“鋰離子電池儲能站電池預(yù)制艙火災(zāi)液氮防控技術(shù)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(shù)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(guān)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(jié)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(guān)團隊從滅火效果、環(huán)保和經(jīng)濟三個維度，構(gòu)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(jié)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(chǎn)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。”攻關(guān)團隊成員、中國礦業(yè)大學教授張國維說，這些研究結(jié)果進一步堅定了攻關(guān)團隊采用液氮作為滅火劑的信心。
將液氮實際應(yīng)用到鋰電池儲能系統(tǒng)火災(zāi)防控中還有一些問題需要解決?！安煌囊旱獓娚涔r，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(shù)工程化應(yīng)用的關(guān)鍵。
攻關(guān)團隊在大量試驗和理論研究的基礎(chǔ)上，初步完成了鋰電池儲能系統(tǒng)液氮滅火技術(shù)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(guān)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(chǔ)。
研發(fā)使用液氮滅火裝備
有了理論研究和技術(shù)支撐，攻關(guān)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(yù)制艙的液氮滅火系統(tǒng)樣機。2023年5月，在相關(guān)技術(shù)與裝備經(jīng)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(yīng)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(nèi)或電池組模組內(nèi)部，由內(nèi)置驅(qū)動裝置提供動力，高效、精準地噴放液氮。”國網(wǎng)河北電力設(shè)備部技術(shù)處副處長何瑞東說。
液氮滅火技術(shù)及裝備的投入使用降低了鋰電池儲能系統(tǒng)大規(guī)?；馂?zāi)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(chǔ)上，研制“監(jiān)測-干預(yù)-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(zāi)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(yīng)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(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
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