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北京储能电站爆炸引发关注,锂电池安全需要陶瓷隔膜

锂电中国浏览量:578时间:2021-06-05 10:18:41

4月16日下午,北京南四环一锂电池储能电站发生火灾和爆炸,导致数名消防员及工作人员伤亡,引发了社会对储能电站安全问题的关注。

至今事故已经发生十余天,引发爆炸的原因是什么,依旧牵动业内外人士的心。虽然国家电网直属科研单位,中国电力科学研究院有限公司储能与电工新技术研究所,发布了对该事故的分析报告,提出了可能引发爆炸的8个诱因,包括储能电池安全质量、电池管理系统和气象环境因素等,但并未能给出具体原因定论。

我们先来了解一下涉及本次事故的“锂电池储能电站”是怎么回事。

据悉,本次涉事电站属于“光储充”一体电站,具有光伏发电储存电能大功率充电三个作用。

(光储充一体化电站)

这里面涉及到近几年很多的“太阳能电池”技术。它是利用半导体材料的光生伏特效应制备出的将太阳能转化为电能的装置,主要可分为晶体硅太阳能电池、薄膜太阳能电池和半导体化合物太阳能电池,其中对半导体化合物太阳能电池的研究中是以砷化镓太阳能电池(即GaAs太阳电池)为主的。

衡量太阳能电池性能的一个最重要的指标就是其光电转换效率,不同的半导体材料产生的能量转换效率可能相差较大。薄膜电池,它由一种薄层材料制作而成,该材料中P-N结能产生光生伏特效应。当今对薄膜电池的研究热点是硅基薄膜太阳能电池,它的光电转换效率约为10%~12%;晶体硅太阳能电池中,单晶硅的制备技术最成熟,效率也最高,其效率可达23%;

相比于薄膜电池和晶体硅,GaAs太阳能电池的光电转换效率要高出许多,商业化量产制作出的GaAs电池的转换效率约为34.5%,而在实验室里,其光电转换效率更可高达50%,并且还可以通过光追踪技术和聚光技术进一步提高其效率。

由以上可知,太阳能电池并不是一种电池,它只是一种将光能转换成电能的装置,由于发电的波动性很大,比如没有太阳的阴雨天时,光伏发电效率大幅降低,不能持续无间断的供电,因此必须要建设配套的储能设备,才能保证有源源不断的稳定电力供应。

近年来,由于锂电池能量密度很高,被广泛应用于储能电池和动力电池之中。但它的致命缺陷就是安全性不足。于是,从安全性角度来看,与太阳能发电所配套的储能锂电的安全性能是整个储能电桩的重要组成部分。

我们知道在锂离子电池的五大主要组成部分正极材料、负极材料、隔膜、电解液以及封装材料中,隔膜的作用之一便是隔开电池正负极,避免正负极材料直接接触,防止内部短路,成为锂离子电池工作体系的安全保障。

(锂电池工作示意图)

因此,因此除了应具有机械隔离和电子绝缘的性能外,还应该具有以下特点:

(1)有一定的孔径和孔隙率以保证锂离子很好的透过性;

(2)有足够的化学和电化学稳定性;

(3)厚度无限小但兼顾良好的机械强度,包括穿刺强度、拉伸强度等;

(4)平整性和空间稳定性好;

(5)热稳定性好,异常情况下自动断电。

在众多隔膜中,陶瓷隔膜是最受期待的隔膜材料。其中高纯氧化铝体系隔膜与勃姆石隔膜是近几年的研究热点。

氧化铝隔膜特点

氧化铝是一种高硬度的化合物,熔点为2054℃,沸点为2980℃,在高温下可电离的离子晶体。氧化铝作为一种无机物,具有很高的热稳定性及化学惰性,是电池隔膜陶瓷涂层的很好选择。

优点:

1、循环寿命长。降低了循环过程中的机械微短路,有效提升循环寿命。

2、高倍率性。高纯纳米氧化铝在锂电池中可形成固溶体,提高倍率性和循环性能。

3、高纯纳米氧化铝还具有非常优良的导热性能。电池温度过高时,这种材料可以很好地进行热量传导,从而解决了PP/PE材料导热性差的问题。

4、良好浸润性。高纯纳米氧化铝粉末具有良好的吸液及保液能力。

5、高纯纳米氧化铝材料还具有优良的阻燃性。这是因为氧化铝材料本身就是非常优良的阻燃剂,即使因为温度过高,达到燃烧零界点,该材料的良好的阻燃性能会阻止大范围的燃烧甚至爆炸。

6、电流过大时,能够阻断电流。随着锂离子电池容量的不断提高,内部蓄积的能量越来越大,内部温度会提高,有可能出现温度过高使负极隔膜被融化而造成短路。

勃姆石隔膜特点

1,勃姆石的硬度低,在切割和涂覆过程中,对机械的磨损小,能够降低设备磨损和异物带入风险的同时,在成本上相对于高纯氧化铝来说更低。

2、勃姆石具有耐热温度高,与有机物相容性好。

3、勃姆石比重小,同样重量比高纯氧化铝多涂覆25%的面积。

4、涂覆平整度高、内阻小。

5、低能耗、生产过程对环境更加友好。

6、勃姆石的吸水率仅是高纯氧化铝的一半。

7、勃姆石的制备更为简单,不像高纯氧化铝那样要经历煅烧、粉碎、分级等一系列复杂过程。

8、勃姆石材料的更换对隔膜企业和电池企业没有设备及工艺更换的门槛,且对隔膜企业设备的损伤较小,隔膜企业也倾向于配合电池企业加快勃姆石材料验证及产品验证。

由此可见,陶瓷隔膜在锂电池安全性能与应用性能方面有非常大优势。尽管锂电池的发展方向是固态电池,彼时锂电池隔膜便不再被需要,但据业内人士估计,要想实现全固态电池,还得至少十年的时间。在安全事故不断,固态电池技术又极不成熟的情况下,通过加强对陶瓷隔膜的研究来改善锂电池的安全性还是非常有必要的。

参考来源:

[1]李定海.中国砷化镓太阳能电池的发展研究

[2]夏清华.锂离子电池新型隔膜技术及市场

[3]北京储能电站爆炸结果:8个诱因,暂无定论.新能源ceo驿站

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