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            北京儲能電站爆炸引發關注,鋰電池安全需要陶瓷隔膜

            鋰電中國瀏覽量:575時間:2021-06-05 10:18:41

            4月16日下午,北京南四環一鋰電池儲能電站發生火災和爆炸,導致數名消防員及工作人員傷亡,引發了社會對儲能電站安全問題的關注。

            至今事故已經發生十余天,引發爆炸的原因是什么,依舊牽動業內外人士的心。雖然國家電網直屬科研單位,中國電力科學研究院有限公司儲能與電工新技術研究所,發布了對該事故的分析報告,提出了可能引發爆炸的8個誘因,包括儲能電池安全質量、電池管理系統和氣象環境因素等,但并未能給出具體原因定論。

            我們先來了解一下涉及本次事故的“鋰電池儲能電站”是怎么回事。

            據悉,本次涉事電站屬于“光儲充”一體電站,具有光伏發電、儲存電能、大功率充電三個作用。

            (光儲充一體化電站)

            這里面涉及到近幾年很多的“太陽能電池”技術。它是利用半導體材料的光生伏特效應制備出的將太陽能轉化為電能的裝置,主要可分為晶體硅太陽能電池、薄膜太陽能電池和半導體化合物太陽能電池,其中對半導體化合物太陽能電池的研究中是以砷化鎵太陽能電池(即GaAs太陽電池)為主的。

            衡量太陽能電池性能的一個最重要的指標就是其光電轉換效率,不同的半導體材料產生的能量轉換效率可能相差較大。薄膜電池,它由一種薄層材料制作而成,該材料中P-N結能產生光生伏特效應。當今對薄膜電池的研究熱點是硅基薄膜太陽能電池,它的光電轉換效率約為10%~12%;晶體硅太陽能電池中,單晶硅的制備技術最成熟,效率也最高,其效率可達23%;

            相比于薄膜電池和晶體硅,GaAs太陽能電池的光電轉換效率要高出許多,商業化量產制作出的GaAs電池的轉換效率約為34.5%,而在實驗室里,其光電轉換效率更可高達50%,并且還可以通過光追蹤技術和聚光技術進一步提高其效率。

            由以上可知,太陽能電池并不是一種電池,它只是一種將光能轉換成電能的裝置,由于發電的波動性很大,比如沒有太陽的陰雨天時,光伏發電效率大幅降低,不能持續無間斷的供電,因此必須要建設配套的儲能設備,才能保證有源源不斷的穩定電力供應。

            近年來,由于鋰電池能量密度很高,被廣泛應用于儲能電池和動力電池之中。但它的致命缺陷就是安全性不足。于是,從安全性角度來看,與太陽能發電所配套的儲能鋰電的安全性能是整個儲能電樁的重要組成部分。

            我們知道在鋰離子電池的五大主要組成部分正極材料、負極材料、隔膜、電解液以及封裝材料中,隔膜的作用之一便是隔開電池正負極,避免正負極材料直接接觸,防止內部短路,成為鋰離子電池工作體系的安全保障。

            (鋰電池工作示意圖)

            因此,因此除了應具有機械隔離和電子絕緣的性能外,還應該具有以下特點:

            (1)有一定的孔徑和孔隙率以保證鋰離子很好的透過性;

            (2)有足夠的化學和電化學穩定性;

            (3)厚度無限小但兼顧良好的機械強度,包括穿刺強度、拉伸強度等;

            (4)平整性和空間穩定性好;

            (5)熱穩定性好,異常情況下自動斷電。

            在眾多隔膜中,陶瓷隔膜是最受期待的隔膜材料。其中高純氧化鋁體系隔膜與勃姆石隔膜是近幾年的研究熱點。

            氧化鋁隔膜特點

            氧化鋁是一種高硬度的化合物,熔點為2054℃,沸點為2980℃,在高溫下可電離的離子晶體。氧化鋁作為一種無機物,具有很高的熱穩定性及化學惰性,是電池隔膜陶瓷涂層的很好選擇。

            優點:

            1、循環壽命長。降低了循環過程中的機械微短路,有效提升循環壽命。

            2、高倍率性。高純納米氧化鋁在鋰電池中可形成固溶體,提高倍率性和循環性能。

            3、高純納米氧化鋁還具有非常優良的導熱性能。電池溫度過高時,這種材料可以很好地進行熱量傳導,從而解決了PP/PE材料導熱性差的問題。

            4、良好浸潤性。高純納米氧化鋁粉末具有良好的吸液及保液能力。

            5、高純納米氧化鋁材料還具有優良的阻燃性。這是因為氧化鋁材料本身就是非常優良的阻燃劑,即使因為溫度過高,達到燃燒零界點,該材料的良好的阻燃性能會阻止大范圍的燃燒甚至爆炸。

            6、電流過大時,能夠阻斷電流。隨著鋰離子電池容量的不斷提高,內部蓄積的能量越來越大,內部溫度會提高,有可能出現溫度過高使負極隔膜被融化而造成短路。

            勃姆石隔膜特點

            1,勃姆石的硬度低,在切割和涂覆過程中,對機械的磨損小,能夠降低設備磨損和異物帶入風險的同時,在成本上相對于高純氧化鋁來說更低。

            2、勃姆石具有耐熱溫度高,與有機物相容性好。

            3、勃姆石比重小,同樣重量比高純氧化鋁多涂覆25%的面積。

            4、涂覆平整度高、內阻小。

            5、低能耗、生產過程對環境更加友好。

            6、勃姆石的吸水率僅是高純氧化鋁的一半。

            7、勃姆石的制備更為簡單,不像高純氧化鋁那樣要經歷煅燒、粉碎、分級等一系列復雜過程。

            8、勃姆石材料的更換對隔膜企業和電池企業沒有設備及工藝更換的門檻,且對隔膜企業設備的損傷較小,隔膜企業也傾向于配合電池企業加快勃姆石材料驗證及產品驗證。

            由此可見,陶瓷隔膜在鋰電池安全性能與應用性能方面有非常大優勢。盡管鋰電池的發展方向是固態電池,彼時鋰電池隔膜便不再被需要,但據業內人士估計,要想實現全固態電池,還得至少十年的時間。在安全事故不斷,固態電池技術又極不成熟的情況下,通過加強對陶瓷隔膜的研究來改善鋰電池的安全性還是非常有必要的。

            參考來源:

            [1]李定海.中國砷化鎵太陽能電池的發展研究

            [2]夏清華.鋰離子電池新型隔膜技術及市場

            [3]北京儲能電站爆炸結果:8個誘因,暫無定論.新能源ceo驛站

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