電池儲能電站的安全性問題分析

圖為日本鈉硫電池儲能電站

化學(xué)電池儲能電站有很多優(yōu)點，在可再生能源發(fā)展中應(yīng)該很好地加以利用。但是?；瘜W(xué)電池也有缺點，其中最重要的是安全性問題。我們必須承認(rèn)電池組是一種含高能物質(zhì)的部件，具有危險性的本質(zhì)。而且，隨著電池比能量和比功率的提高，發(fā)生事故的危險性將增大。

安全性的衡量尺度

安全性的實質(zhì)就是事故概率。安全因素控制得好，發(fā)生危險事故的概率就降低。影響電池安全事故的因素應(yīng)包括電池的品種、設(shè)計水平、生產(chǎn)質(zhì)量、總?cè)萘?、使用時間的長短、安全措施的有效性、使用的合理性、其它(意外)因素等，其中電池的品種最為根本。

安全性既然是一個事故概率問題，它就可以用數(shù)值來表示。例如在核反應(yīng)堆設(shè)計時，安全性要達(dá)到10-5或10-6/堆·年;而對于飛機(jī)，安全性要達(dá)到飛行109小時無機(jī)毀人亡事故。要達(dá)到如此低的事故概率，除了要有高水平的設(shè)計、制造外，還要在運行中有一套嚴(yán)密的操作規(guī)程和嚴(yán)格的維修保養(yǎng)制度來保障。

隨著可再生能源的發(fā)展，化學(xué)電池儲能電站建設(shè)已經(jīng)逐步展開，化學(xué)電池儲能電站的安全性問題(事故概率)應(yīng)該及時地加以認(rèn)真研究。

鈉硫電池的安全性

近5-6年來，我們曾經(jīng)一再指出鈉硫電池的安全性差。可是，企業(yè)片面地從“技術(shù)新穎性”出發(fā)，先是全力支持國內(nèi)研發(fā)，后又熱衷于高價購買日本K子(NGK)公司制造的鈉硫電池儲能電站，并稱日本的幾十座鈉硫電池儲能電站20年來未發(fā)生事故。事有湊巧，正與日商討價還價之際，2011年2月和9月日本接連燒掉兩座鈉硫電池儲能電站，尤其是三菱材料筑波制作所的那座鈉硫電池儲能電站，于2011年9月21日7時20分左右發(fā)生火災(zāi)，經(jīng)掩蓋沙子等滅火手段，到當(dāng)天16時左右火勢方才轉(zhuǎn)弱，但未完全撲滅，直到10月5日下午3時25分大火才最終熄滅，共燒了整整兩星期。其后，NGK公司要求客粼謔鹿試因查明之前暫r停止使用鈉硫電池，并同時宣布暫停生產(chǎn)鈉硫電池。

至此，我方購買日本鈉硫電池儲能電站之事方肯“暫停”了。

可以粗略地估算出日本鈉硫電池儲能電站的事故概率大于10-3/站·年，換句話說，建1000座與日本平均容量相當(dāng)?shù)拟c硫電池儲能電站，每年可能燃燒的就不止一座。

此事提醒人們，大規(guī)模使用儲能電池時，應(yīng)該參考核電站那樣事先認(rèn)真評估其安全性。

鋰離子電池的安全性

鋰離子電池中的電解液是用易燃的溶劑配制而成，正、負(fù)電極上的氧化劑和還原劑只隔一層約20微米厚的隔膜，在達(dá)到一定溫度時氧化劑和還原劑均易與電解液發(fā)生大量生熱的化學(xué)反應(yīng)，電池組又是在高電壓、大電流下運行。

現(xiàn)在，電動公交車的鋰離子電池裝載量約為200千瓦時，事故率已不低(10-3/車·年)。一個20兆瓦時的儲能電站的電池容量大于電動公交車百倍，如用品質(zhì)相當(dāng)?shù)匿囯x子電池，其事故概率就有可能也將大百倍，即可達(dá)到10-1/站·年(10年可能燒一次)。

可見，鋰離子電池的安全性也值得重視。要將使用電池(特別是鋰離子電池)作為使用易燃、易爆物品和高電壓器件一樣對待，要制定并嚴(yán)格執(zhí)行安全設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和使用規(guī)范。

與鋰離子電池類似的有機(jī)電解液超級電容器，具有高比功率、超長壽命、較高電壓等突出優(yōu)點，可解決短時間、大功率儲-放電問題，也有的儲能電站將其與電池并聯(lián)使用，以提升和擴(kuò)展電站的功能。有人認(rèn)為，這種超級電容器比能量低，安全不會有大問題。但是，美國夏威夷Kahuku島30兆瓦風(fēng)電場的15兆瓦電池儲能電站，使用了Dyna公司超級電容器，發(fā)生三次著火引發(fā)大火(2011年4月、2012年5月及8月1日)，給人們敲響了警鐘。

水電解液電池的安全性

當(dāng)前使用最多的水電解液二次電池是金屬氫化物/鎳電池和鉛酸電池，前者的電解液是堿性水溶液，后者是酸性的水溶液。這些電解液泄漏時有腐蝕的危險，不過燃、爆性要低得多，但是也并非絕對不會出問題。2012年4月，山東淄博一輛使用鎳氫電池的公交車發(fā)生大火，原因可能是負(fù)極儲氫合金與正極氧化鎳用量設(shè)計不當(dāng)，導(dǎo)致電池中積累了氫氣。鉛酸電池在過度充電時也會發(fā)生水電解成氫氣和氧氣，不過，這個問題已經(jīng)解決得比較好。因而鉛酸電池是安全性最高的電池，而且價格低廉，循環(huán)壽命和比能量也在不斷提高中。

可以大規(guī)模蓄電的液流電池近些年發(fā)展迅速，得益于其使用水電解液而具有極低的爆燃危險性。但是，新近出現(xiàn)的鋅-溴液流電池和鋅-氯液流電池，雖然有些優(yōu)點，但是元素態(tài)的溴和氯有毒性和腐蝕性，在大規(guī)模蓄電站中使用，務(wù)必做好防止有毒氣體泄漏的事故發(fā)生。

2011年國內(nèi)曾有人提出有機(jī)電解液的液流電池新體系構(gòu)想，并欲申請2012年國家863計劃項目。如果，成千上萬立方米的有機(jī)電解液成天在儲能電站的復(fù)雜管道中流動，一旦發(fā)生事故后果將不堪設(shè)想。顯然，這樣的有機(jī)電解液新體系，已與液流電池的高安全性初衷背道而馳，難有實用前景。

重視新型水電解液電池發(fā)展

大規(guī)模蓄電的儲能電站，務(wù)必將安全放在一切需要考慮的問題之首。儲能電站作為經(jīng)營單位，經(jīng)濟(jì)效益也很重要，應(yīng)該使用能量轉(zhuǎn)換效率高、壽命長、造價和運行成本低、適當(dāng)兼顧比能量的電池。因此，當(dāng)前應(yīng)高度重視新型水電解液電池的發(fā)展與應(yīng)用：

1.大力發(fā)展能量轉(zhuǎn)換效率高于80%、造價低于2元/瓦時、循環(huán)壽命達(dá)10000次的新型液流電池;現(xiàn)有液流電池也應(yīng)提高到這個水平。

2.在持續(xù)治理鉛污染的同時，積極支持研制比能量大于50瓦時/千克、循環(huán)壽命達(dá)3000次、價格低于0.6元/瓦時的新技術(shù)鉛酸電池。

3.鼓勵發(fā)展比能量大于50瓦時/千克、循環(huán)壽命達(dá)4000次、價格低于0.8元/瓦時、生產(chǎn)-回收全過程環(huán)境友好的新型水電解液儲能電池。

在合適的進(jìn)、出電價條件下，使用上述電池的蓄電站均有可能取得YCC(規(guī)模蓄電技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的判據(jù))指數(shù)達(dá)1.0的運行效果，且有較高的安全保障。