化學(xué)電池儲(chǔ)能電站有很多優(yōu)點(diǎn)，在可再生能源發(fā)展中應(yīng)該很好地加以利用。但是。化學(xué)電池也有缺點(diǎn)，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(xiǎn)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(xiǎn)性將增大。

安全性的衡量尺度

安全性的實(shí)質(zhì)就是事故概率。安全因素控制得好，發(fā)生危險(xiǎn)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(jì)水平、生產(chǎn)質(zhì)量、總?cè)萘俊⑹褂脮r(shí)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(gè)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(jì)時(shí)，安全性要達(dá)到10-5或10-6/堆·年;而對(duì)于飛機(jī)，安全性要達(dá)到飛行109小時(shí)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(jì)、制造外，還要在運(yùn)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(chǔ)能電站建設(shè)已經(jīng)逐步展開，化學(xué)電池儲(chǔ)能電站的安全性問題(事故概率)應(yīng)該及時(shí)地加以認(rèn)真研究。

鈉硫電池的安全性

近5-6年來，我們?cè)?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(jià)購買日本K子(NGK)公司制造的鈉硫電池儲(chǔ)能電站，并稱日本的幾十座鈉硫電池儲(chǔ)能電站20年來未發(fā)生事故。事有湊巧，正與日商討價(jià)還價(jià)之際，2011年2月和9月日本接連燒掉兩座鈉硫電池儲(chǔ)能電站，尤其是三菱材料筑波制作所的那座鈉硫電池儲(chǔ)能電站，于2011年9月21日7時(shí)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(shí)左右火勢(shì)方才轉(zhuǎn)弱，但未完全撲滅，直到10月5日下午3時(shí)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(shí)宣布暫停生產(chǎn)鈉硫電池。

至此，我方購買日本鈉硫電池儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能電池時(shí)，應(yīng)該參考特種那樣事先認(rèn)真評(píng)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(shí)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(yùn)行。

現(xiàn)在，電動(dòng)公交車的鋰離子電池裝載量約為200千瓦時(shí)，事故率已不低(10-3/車·年)。一個(gè)20兆瓦時(shí)的儲(chǔ)能電站的電池容量大于電動(dòng)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(duì)待，要制定并嚴(yán)格執(zhí)行安全設(shè)計(jì)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(jí)電容器，具有高比功率、超長壽命、較高電壓等突出優(yōu)點(diǎn)，可解決短時(shí)間、大功率儲(chǔ)-放電問題，也有的儲(chǔ)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(jí)電容器比能量低，安全不會(huì)有大問題。但是，美國夏威夷Kahuku島30兆瓦風(fēng)電場(chǎng)的15兆瓦電池儲(chǔ)能電站，使用了Dyna公司超級(jí)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(shí)有腐蝕的危險(xiǎn)，不過燃、爆性要低得多，但是也并非絕對(duì)不會(huì)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(chǔ)氫合金與正極氧化鎳用量設(shè)計(jì)不當(dāng)，導(dǎo)致電池中積累了氫氣。鉛酸電池在過度充電時(shí)也會(huì)發(fā)生水電解成氫氣和氧氣，不過，這個(gè)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(jià)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(xiǎn)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(diǎn)，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(qǐng)2012年國家863計(jì)劃項(xiàng)目。如果，成千上萬立方米的有機(jī)電解液成天在儲(chǔ)能電站的復(fù)雜管道中流動(dòng)，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(shí)用前景。

重視新型水電解液電池發(fā)展

大規(guī)模蓄電的儲(chǔ)能電站，務(wù)必將安全放在一切需要考慮的問題之首。儲(chǔ)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(jià)和運(yùn)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(jià)低于2元/瓦時(shí)、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(gè)水平。

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

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

在合適的進(jìn)、出電價(jià)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(yùn)行效果，且有較高的安全保障。

超級(jí)電容器

一場(chǎng)動(dòng)搖鈉硫電池前景的火災(zāi)

作為新一代電力存儲(chǔ)系統(tǒng)，鈉硫電池備受期待，但鈉硫電池的電極使用鈉，有遇水爆炸的危險(xiǎn)，因此滅火時(shí)比普通火災(zāi)更為困難。但日本卻發(fā)生了足可以動(dòng)搖鈉硫電池前景的火災(zāi)事故。據(jù)了解，目前推出鈉硫電池產(chǎn)品的公司只有日本K子(NGK)一家。2011年9月21日上午前7點(diǎn)20分左右，設(shè)置于日本茨城縣三菱材料筑波制作所內(nèi)的鈉硫電池(日本NGK制)起火引發(fā)火災(zāi)。直到10月5日下午3點(diǎn)25分大火才終于被撲滅，歷時(shí)2周之久。日本NGK在事故發(fā)生當(dāng)天成立了事故調(diào)查委員會(huì)，并同時(shí)宣布將暫停生產(chǎn)鈉硫電池。

由于鈉硫電池的構(gòu)造及工作原理，鈉硫電池存在以下兩大安全風(fēng)險(xiǎn)。第一，由于使用了鈉，因此著火時(shí)不能澆水。必須采用沙子掩蓋等手段來滅火，所以鈉硫電池的設(shè)置單位及消防機(jī)構(gòu)需要采取特殊措施。第二，由于鈉硫電池的工作溫度需達(dá)300-350℃，當(dāng)電池單元著火時(shí)，火勢(shì)就容易向周圍的其他電池單元蔓延，而且控制火勢(shì)需要大量時(shí)間。

據(jù)日本NGK介紹，發(fā)生事故的鈉硫電池中混入了1個(gè)'不合格'的電池單元，該電池單元的破損導(dǎo)致高溫溶融物(液態(tài)的鈉和硫)從內(nèi)部流出。每個(gè)電池模塊分成4個(gè)區(qū)塊，各區(qū)塊之間設(shè)有防止短路及火勢(shì)蔓延的砂層。但此次溶融物越過砂層流出，因此相鄰的區(qū)塊之間發(fā)生了短路。各區(qū)塊內(nèi)部設(shè)有用來防止大電流持續(xù)流過的保險(xiǎn)絲，但相鄰區(qū)塊之間則未設(shè)置。

由于區(qū)塊間發(fā)生了短路，隨著大電流的連續(xù)流過，模塊內(nèi)部開始發(fā)熱，使更多的電池單元發(fā)生破損。這樣，在發(fā)生火災(zāi)的同時(shí)，再加上溶融物流出，火勢(shì)便蔓延到了整個(gè)模塊，進(jìn)而使受損范圍擴(kuò)大到了相鄰的模塊。

在火災(zāi)事故發(fā)生后，日本NGK公布了防止事故再次發(fā)生的對(duì)策，包括在相鄰區(qū)塊間設(shè)置保險(xiǎn)絲，這樣即使發(fā)生短路，也可降低大電流連續(xù)流過的概率;為防備溶融物流出，在區(qū)塊間設(shè)置防短路板，進(jìn)一步保證區(qū)塊間不會(huì)因溶融物流出而短路;為避免火勢(shì)蔓延，在模塊間設(shè)置防火勢(shì)蔓延板。

對(duì)于不合格的電池單元嵌入模塊的原因，日本NGK推測(cè)是'制造工序中混入了異物等，這種超出設(shè)計(jì)允許范圍的問題疊加之后，導(dǎo)致安全功能未能發(fā)揮作用'。但是，有問題的那個(gè)電池單元已經(jīng)燒毀了，所以真正原因無法確定。因此，該公司目前的方針是加強(qiáng)制造工序的管理并對(duì)全部產(chǎn)品實(shí)施檢查，由此來防止不合格的電池單元嵌入模塊。

鈉硫電池的單位重量能量密度高達(dá)鉛蓄電池的約3倍，有望在新一代電網(wǎng)中承擔(dān)多種作用，比如通過負(fù)荷均衡化來降低最大電力使用量(削峰)，以及解決可再生能源的功率輸出波動(dòng)問題，等等。因此，旨在普及鈉硫電池的環(huán)境建立工作也在急速推進(jìn)之中。

2007年日本消防法修訂了'與危險(xiǎn)品限制相關(guān)的規(guī)定'，改為允許將不同種類的危險(xiǎn)品裝入同一容器內(nèi)運(yùn)輸或儲(chǔ)藏，這一措施主要是為了能夠輕松設(shè)置鈉硫電池，因?yàn)殁c硫電池使用了日本消防法定義為第二類危險(xiǎn)品(可燃性固體)的硫，以及定義為第三類危險(xiǎn)品(自燃性物質(zhì)及禁水性物質(zhì))的鈉。根據(jù)這一修訂，只要容器及設(shè)置場(chǎng)所達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，即可較輕松地設(shè)置鈉硫電池。

不過，此次事故說明鈉硫電池的安全技術(shù)及火災(zāi)對(duì)策尚未成熟。實(shí)際上，除了上面提到的防止事故再次發(fā)生的對(duì)策之外，日本NGK還提出了安全強(qiáng)化對(duì)策，比如'建立用來在早期發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的監(jiān)控體制'、'設(shè)置滅火防火設(shè)備并建立滅火體制'，以及'制定火災(zāi)發(fā)生時(shí)的逃生線路并建立引導(dǎo)疏散體制'，要求客戶實(shí)施。另外，對(duì)于在醫(yī)院及商業(yè)設(shè)施等有較多不特定人出入的場(chǎng)所設(shè)置鈉硫電池的客戶，暫時(shí)要求他們拆除鈉硫電池。

日本NGK表示如有客戶申請(qǐng)拆除即會(huì)滿足要求，但實(shí)際上多數(shù)客戶都希望繼續(xù)使用。目前已有眾多場(chǎng)所將鈉硫電池設(shè)置為備用電源，而且性能也很出色，因此鈉硫電池的需求今后還有望繼續(xù)擴(kuò)大。但正因如此，更需要鈉硫電池在安全技術(shù)上進(jìn)一步成熟。

Kahuku風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能電站第三次火災(zāi)

2012年8月1日，煙霧報(bào)警器突然響起了，報(bào)警發(fā)生地是在夏威夷Oahu北側(cè)海岸的一個(gè)擁有12臺(tái)風(fēng)機(jī)、裝機(jī)容量30兆瓦的Kahuku風(fēng)電場(chǎng)。這個(gè)風(fēng)電場(chǎng)是'第一風(fēng)能'公司開發(fā)，該風(fēng)電場(chǎng)配備了一個(gè)XtremePower公司提供的15兆瓦的電池，并將生產(chǎn)的電能賣給島上的社區(qū)，這是該電池安裝以后的第三次火災(zāi)。

有媒體評(píng)論說大火毀壞了一棟重要的建筑，也為Kahuku風(fēng)能開發(fā)的未來帶來了不確定因素。儲(chǔ)能行業(yè)將能夠使得風(fēng)能、太陽能等各種可再生能源變?yōu)槌缮鐣?huì)易用的電能，降低能源的價(jià)格，并為零星的海島提供有效地能源解決方案。但直至目前，儲(chǔ)能行業(yè)(除了抽水蓄能)還僅僅處在'有潛力'的階段。儲(chǔ)能行業(yè)的電池供應(yīng)商們正在經(jīng)受著各種發(fā)展期的陣痛。

消防員直到大火燃燒7小時(shí)才進(jìn)入著火建筑內(nèi)，因?yàn)樗麄儞?dān)心那12000個(gè)電池燃燒可能帶來大量有毒氣體。消防部門談到這座建筑2011年4月曾經(jīng)發(fā)生了一場(chǎng)大火，幾乎將大樓整個(gè)燒光。今年5月還有一場(chǎng)大火，而這之前的兩場(chǎng)大火的起因都是Dyna公司生產(chǎn)的ECI電容器。根據(jù)《法庭新聞服務(wù)》報(bào)道，Xtreme公司已經(jīng)向法院控訴了Dyna公司。這次大火造成部分建筑倒塌，所幸無人受傷。

一名消防部門的發(fā)言人說，火災(zāi)看起來是從電池箱內(nèi)部或邊上開始起火并迅速擴(kuò)散。Xtreme說，他們正在展開調(diào)查，并且電池內(nèi)無有害材料，也不會(huì)對(duì)社會(huì)造成危害。

Kahuku風(fēng)電場(chǎng)從2011年2月開始投入運(yùn)營，發(fā)現(xiàn)煙霧時(shí)已被立刻關(guān)停。這個(gè)風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能電站配備了美國最大的儲(chǔ)能系統(tǒng)。這套系統(tǒng)也是第一個(gè)在美國能源部貸款計(jì)劃資助下完成的系統(tǒng)，它獲注資1.17億美元，從2010年7月開始建立。該電池采用了彈道級(jí)的纖維材料制造，電池內(nèi)有約一英里的纖維，且電池內(nèi)部是干燥的，該電池的技術(shù)來源于Tracor與福特特種公司為了電動(dòng)汽車應(yīng)用共同開發(fā)的創(chuàng)新技術(shù)。

Xtreme的化學(xué)電容器起到了彌補(bǔ)鋰離子電池性能的作用，它采用了干燥、惰性的材料制備，可在常溫下運(yùn)行，不像電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能用的納硫電池。

第一風(fēng)電在Haleiwa附近也有一座配備儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)，那個(gè)風(fēng)電場(chǎng)也叫Kawailoa工程。這個(gè)風(fēng)電場(chǎng)從6月開始運(yùn)行，按照他們CEO的話說，它'完美地運(yùn)行著'。

超級(jí)電容器

Xtreme的管理層強(qiáng)調(diào)過他們提供的不僅是一組電池，還包括一系列的控制、通訊系統(tǒng)，以及他們豐富的電池管理經(jīng)驗(yàn)與理念，這使得他們與那些只提供電池的公司不同。最近的這些事件也許會(huì)證明他們的觀點(diǎn)。

專家認(rèn)為，與普通的火電站相比，電網(wǎng)級(jí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)還是過于昂貴，也只能在那些輸送能源成本較高或較困難送能的地區(qū)，比如夏威夷或Kodiak島等地，以及一些新興地區(qū)(不用再建立全新的電網(wǎng)與發(fā)電系統(tǒng))有一定的實(shí)用價(jià)值。