Как повысить безопасность систем хранения энергии на основе литиевых аккумуляторов

В быстрорастущем секторе возобновляемой энергетики литий-ионные аккумуляторы стали ведущим выбором для систем хранения энергии (СХЭ). Высокая плотность энергии, длительный срок службы и способность поддерживать как крупномасштабные накопители энергии, так и небольшие бытовые решения, сделали их доминирующим игроком. Однако с этим ростом возникает насущная проблема: безопасность. По мере всё более широкого распространения систем хранения энергии на основе литиевых аккумуляторов понимание рисков и применение мер безопасности становятся крайне важными.

В данной статье рассматриваются различные способы повышения безопасности систем хранения энергии на основе литиевых аккумуляторов с упором как на технологические достижения, так и на эксплуатационные протоколы.

1. **Понимание рисков безопасности при использовании литиевых аккумуляторов ESS**

Прежде чем приступить к поиску решений, крайне важно понимать потенциальные риски, связанные с литий-ионными аккумуляторами. К основным рискам безопасности относятся:

- **Тепловой пробой**: когда элемент аккумулятора перегревается из-за внутренних или внешних условий, это может привести к цепной реакции, которая приведет к перегреву других элементов и потенциальному возгоранию или взрыву.

- **Перезарядка и глубокая разрядка**: Перезарядка может привести к перегреву аккумулятора, а глубокая разрядка — к ухудшению его работы и нестабильности.

- **Физические повреждения**: Внешние удары или проколы могут привести к короткому замыканию, увеличивая риск возникновения пожара.

- **Производственные дефекты**: Неправильная конструкция, некачественные материалы или неправильная сборка могут привести к возникновению угроз безопасности.

Учитывая эти риски, повышение безопасности литиевых аккумуляторных батарей ESS должно быть направлено как на предотвращение опасных ситуаций, так и на смягчение последствий в случае возникновения инцидента.

2. **Усовершенствованные системы управления батареями (BMS)**

Система управления аккумуляторными батареями (BMS) необходима для мониторинга и управления производительностью литий-ионных аккумуляторов. BMS играет ключевую роль в обеспечении безопасной работы ESS, регулируя температуру, напряжение и ток внутри аккумулятора.

Основные характеристики безопасности усовершенствованной BMS:

- **Мониторинг и контроль температуры**: BMS непрерывно контролирует температуру каждого элемента аккумулятора. Если температура любого элемента превышает заданный порог, BMS может скорректировать ток для предотвращения перегрева.

- **Мониторинг состояния заряда (SOC)**: отслеживая заряд каждой ячейки, BMS может предотвратить перезаряд или глубокую разрядку, что значительно снижает риск теплового пробоя.

- **Балансировка ячеек**: балансируя заряд отдельных ячеек, BMS гарантирует, что ни одна ячейка не будет перегружена, что продлевает срок службы батареи и повышает безопасность.

- **Обнаружение неисправностей**: современные системы BMS способны обнаруживать внутренние неисправности или внешние аномалии (например, короткие замыкания), обеспечивая быстрое реагирование для предотвращения опасных ситуаций.

3. **Системы терморегулирования**

Одной из основных причин выхода из строя литий-ионных аккумуляторов является перегрев. Перегрев может привести к деградации компонентов аккумулятора, что приводит к сокращению срока службы и повышению риска теплового пробоя. Эффективное управление тепловым режимом имеет решающее значение для повышения безопасности систем хранения энергии литиевых аккумуляторов.

Методы терморегулирования включают в себя:

- **Жидкостное охлаждение**: В некоторых системах для поддержания оптимальной температуры используется жидкостное охлаждение. Системы с жидкостным охлаждением более эффективно рассеивают тепло, чем системы с воздушным охлаждением, особенно в крупномасштабных проектах накопления энергии.

- **Материалы с изменяемым фазовым состоянием (PCM)**: PCM поглощают и сохраняют тепловую энергию при переходе из твердого состояния в жидкое, помогая поддерживать стабильную температуру внутри аккумуляторной батареи.

- **Системы вентиляции**: правильная вентиляция способствует рассеиванию накопленного тепла, особенно в закрытых складских помещениях. Вентиляторы или пассивные системы охлаждения обеспечивают циркуляцию воздуха, предотвращая образование зон перегрева.

4. **Системы пожаротушения**

В крупных системах накопления энергии риск возгорания, хотя и низкий, невозможно полностью исключить. Для дальнейшего повышения безопасности крайне важно установить системы пожаротушения, способные быстро и эффективно локализовать возгорание до его распространения.

Методы тушения пожара для литиевых аккумуляторов ESS включают в себя:

- **Системы инертного газа**: инертные газы, такие как азот и аргон, могут подавлять пожар, вытесняя кислород, тем самым предотвращая горение.

- **Системы водяного тумана**: Системы водяного тумана используют мелкие капли воды для охлаждения аккумуляторной батареи и тушения пламени без затопления объекта.

- **Огнестойкие материалы**: помещение батарей в огнестойкие материалы может предотвратить распространение пожара в случае теплового разгона.

5. **Строгие протоколы установки и обслуживания**

Обеспечение безопасности систем хранения энергии на основе литиевых аккумуляторов также зависит от правильной установки и регулярного обслуживания.

Передовые методы установки и обслуживания включают:

- **Соблюдение стандартов безопасности**: Соблюдайте международные стандарты безопасности (например, UL 9540A, IEC 62619) при проектировании, установке и эксплуатации ESS.

- **Правильная компоновка системы**: Обеспечьте достаточное расстояние между аккумуляторными блоками для циркуляции воздуха и предотвращения перегрева. Избегайте размещения аккумуляторных батарей в местах, подверженных внешним воздействиям или затоплению.

- **Регулярные проверки**: Регулярные проверки необходимы для выявления потенциальных проблем, таких как физические повреждения, неисправная проводка или коррозия.

- **Обучение и повышение осведомленности**: предоставьте персоналу надлежащее обучение по эксплуатации, техническому обслуживанию и процедурам реагирования на чрезвычайные ситуации, связанным с системами хранения энергии на основе аккумуляторных батарей.

6. **Использование более безопасных электролитов и химии клеток**

Хотя литий-ионные аккумуляторы обладают значительными преимуществами с точки зрения плотности энергии и эффективности, новые достижения в области химии элементов питания повышают безопасность этих систем. Использование более безопасных электролитов или усовершенствованных твердотельных конструкций позволяет снизить риск теплового разгона.

Более безопасные альтернативы включают:

- **Твердотельные электролиты**: эти электролиты менее подвержены перегреву и тепловому пробою по сравнению с традиционными жидкими электролитами.

- **Негорючие электролиты**: Некоторые исследования и разработки направлены на создание негорючих жидких электролитов, которые значительно снизили бы риск возгорания в литий-ионных аккумуляторах.

Заключение

Поскольку спрос на системы хранения энергии на основе литиевых аккумуляторов продолжает расти, обеспечение их безопасности становится как никогда важным. Внедряя передовые системы управления аккумуляторами, эффективное терморегулирование, системы пожаротушения и соблюдая надлежащие протоколы монтажа, операторы могут значительно снизить риски, связанные с этими системами хранения энергии. Кроме того, достижения в области химии аккумуляторов продолжат расширять границы безопасности, делая литий-ионные аккумуляторы ещё более надёжным решением для хранения энергии в будущем.