在當(dāng)前迅猛發(fā)展的清潔能源產(chǎn)業(yè)中，鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)作為重要能源存儲(chǔ)裝置，其安全性一直是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，因此鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)液氮滅火裝備的研發(fā)是一項(xiàng)具有重要意義的科技創(chuàng)新成果。由河北電科院與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)共同完成的科研項(xiàng)目“鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)液氮滅火裝備”可實(shí)現(xiàn)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)惰化防爆和快速滅火，為鋰電池儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)液氮滅火裝備日前已投入應(yīng)用。
探索鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)滅火新思路
近年來(lái)，我國(guó)儲(chǔ)能電站規(guī)模不斷擴(kuò)大，為電網(wǎng)“削峰填谷”發(fā)揮重要作用。鋰電池儲(chǔ)能具有能量密度大、效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是目前我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能的主要類(lèi)型。然而，更大的能量密度意味著更高的安全風(fēng)險(xiǎn)。
“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(jí)工程師賈伯巖介紹，尤其是在封閉的鋰電池儲(chǔ)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(dǎo)致火災(zāi)甚至爆炸。因此，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)需要配置滅火和抑制爆燃的裝置。
當(dāng)前，鋰電池儲(chǔ)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(xì)水霧滅火劑為代表的水基型滅火劑。但是，這兩種類(lèi)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(wú)法有效阻斷鋰電池?zé)崾Э氐倪B鎖反應(yīng)；水基型滅火劑惰化能力不足，無(wú)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(guó)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?zé)崾Э丶由峡扇細(xì)怏w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(shí)具備良好的冷卻降溫和惰化窒息性能?！辟Z伯巖說(shuō)。液氮釋放后能快速汽化并吸收大量熱量，實(shí)現(xiàn)惰化防爆且無(wú)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(guó)礦業(yè)大學(xué)組建攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，啟動(dòng)“鋰離子電池儲(chǔ)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(xiàng)目，開(kāi)始開(kāi)展鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)液氮滅火技術(shù)研究。
通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)選定滅火劑
雖說(shuō)液氮的理論性能優(yōu)異，但在實(shí)際使用中表現(xiàn)如何仍待檢驗(yàn)。攻關(guān)團(tuán)隊(duì)首先搭建了鋰電池?zé)崾Э販缁鹪囼?yàn)平臺(tái)，以容量為60安時(shí)的磷酸鐵鋰電池組為試驗(yàn)對(duì)象，測(cè)試液氮、七氟丙烷、全氟己酮、干粉、細(xì)水霧、泡沫等10種滅火劑的性能。
試驗(yàn)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(shí)，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)從滅火效果、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)三個(gè)維度，構(gòu)建了包含13個(gè)指標(biāo)的鋰電池滅火劑綜合評(píng)價(jià)體系，計(jì)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?zé)崾Э氐膫鞑ユ湕l，保護(hù)尚未發(fā)生熱失控的鋰電池，且低溫環(huán)境不會(huì)損壞鋰電池性能?！惫リP(guān)團(tuán)隊(duì)成員、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教授張國(guó)維說(shuō)，這些研究結(jié)果進(jìn)一步堅(jiān)定了攻關(guān)團(tuán)隊(duì)采用液氮作為滅火劑的信心。
將液氮實(shí)際應(yīng)用到鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)防控中還有一些問(wèn)題需要解決?！安煌囊旱獓娚涔r，例如液氮注入時(shí)間、噴射時(shí)長(zhǎng)、注氮位置等，都會(huì)影響液氮的滅火性能。”張國(guó)維介紹。掌握液氮滅火性能的影響機(jī)制是液氮滅火技術(shù)工程化應(yīng)用的關(guān)鍵。
攻關(guān)團(tuán)隊(duì)在大量試驗(yàn)和理論研究的基礎(chǔ)上，初步完成了鋰電池儲(chǔ)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(guò)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(jī)制，提出了液氮高效滅火方法，為鋰電池儲(chǔ)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(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研發(fā)鋰電池儲(chǔ)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(jī)。2023年5月，在相關(guān)技術(shù)與裝備經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期系統(tǒng)性檢驗(yàn)后，鋰電池儲(chǔ)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(shí)鏈?zhǔn)椒植际絻?chǔ)能系統(tǒng)正式投入使用。這是該裝備首次應(yīng)用于真實(shí)場(chǎng)景下的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置中。
“鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)液氮滅火裝備能夠根據(jù)需求通過(guò)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(dòng)裝置提供動(dòng)力，高效、精準(zhǔn)地噴放液氮。”國(guó)網(wǎng)河北電力設(shè)備部技術(shù)處副處長(zhǎng)何瑞東說(shuō)。
液氮滅火技術(shù)及裝備的投入使用降低了鋰電池儲(chǔ)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(jì)劃在鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)液氮滅火裝備的基礎(chǔ)上，研制“監(jiān)測(cè)-干預(yù)-處置”防控一體化成套裝置，將鋰電池?zé)崾Э囟糁圃凇拔慈肌睜顟B(tài)，進(jìn)一步提升鋰電池儲(chǔ)能行業(yè)安全水平。
鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)液氮滅火裝備的研發(fā)具有重要的意義和價(jià)值。它為鋰電池儲(chǔ)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(shí)到裝備的局限性和問(wèn)題，并繼續(xù)加大研發(fā)力度，以進(jìn)一步提升其性能和可靠性，推動(dòng)清潔能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
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