圖為日本鈉硫電池儲能電站

　　化學電池儲能電站有很多優(yōu)點，在可再生能源發(fā)展中應該很好地加以利用。但是。化學電池也有缺點，其中最重要的是安全性問題。我們必須承認電池組是一種含高能物質的部件，具有危險性的本質。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包括電池的品種、設計水平、生產質量、總容量、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。例如在核反應堆設計時，安全性要達到10-5或10-6/堆·年;而對于飛機，安全性要達到飛行109小時無機毀人亡事故。要達到如此低的事故概率，除了要有高水平的設計、制造外，還要在運行中有一套嚴密的操作規(guī)程和嚴格的維修保養(yǎng)制度來保障。

　　隨著可再生能源的發(fā)展，化學電池儲能電站建設已經逐步展開，化學電池儲能電站的安全性問題(事故概率)應該及時地加以認真研究。

　　鈉硫電池的安全性

　　近5-6年來，我們曾經一再指出鈉硫電池的安全性差。可是，企業(yè)片面地從“技術新穎性”出發(fā)，先是全力支持國內研發(fā)，后又熱衷于高價購買日本礙子(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，經掩蓋沙子等滅火手段，到當天16時左右火勢方才轉弱，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公司要求客戶在事故原因查明之前暫時停止使用鈉硫電池，并同時宣布暫停生產鈉硫電池。

　　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?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，應該參考核電站那樣事先認真評估其安全性。

　　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)生大量生熱的化學反應，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，如用品質相當?shù)匿囯x子電池，其事故概率就有可能也將大百倍，即可達到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，要制定并嚴格執(zhí)行安全設計標準和使用規(guī)范。

　　與鋰離子電池類似的有機電解液超級電容器，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，以提升和擴展電站的功能。有人認為，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，原因可能是負極儲氫合金與正極氧化鎳用量設計不當，導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，務必做好防止有毒氣體泄漏的事故發(fā)生。

　　2011年國內曾有人提出有機電解液的液流電池新體系構想，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電解液成天在儲能電站的復雜管道中流動，一旦發(fā)生事故后果將不堪設想。顯然，這樣的有機電解液新體系，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，務必將安全放在一切需要考慮的問題之首。儲能電站作為經營單位，經濟效益也很重要，應該使用能量轉換效率高、壽命長、造價和運行成本低、適當兼顧比能量的電池。因此，當前應高度重視新型水電解液電池的發(fā)展與應用：

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

　　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3000次、價格低于0.6元/瓦時的新技術鉛酸電池。

　　3.鼓勵發(fā)展比能量大于50瓦時/千克、循環(huán)壽命達4000次、價格低于0.8元/瓦時、生產-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、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)模蓄電技術經濟效益的判據(jù))指數(shù)達1.0的運行效果，且有較高的安全保障。

　　(作者為中國工程院院士)

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　　一場動搖鈉硫電池前景的火災

　　作為新一代電力存儲系統(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，因此滅火時比普通火災更為困難。但日本卻發(fā)生了足可以動搖鈉硫電池前景的火災事故。據(jù)了解，目前推出鈉硫電池產品的公司只有日本礙子(NGK)一家。2011年9月21日上午前7點20分左右，設置于日本茨城縣三菱材料筑波制作所內的鈉硫電池(日本NGK制)起火引發(fā)火災。直到10月5日下午3點25分大火才終于被撲滅，歷時2周之久。日本NGK在事故發(fā)生當天成立了事故調查委員會，并同時宣布將暫停生產鈉硫電池。

　　由于鈉硫電池的構造及工作原理，鈉硫電池存在以下兩大安全風險。第一，由于使用了鈉，因此著火時不能澆水。必須采用沙子掩蓋等手段來滅火，所以鈉硫電池的設置單位及消防機構需要采取特殊措施。第二，由于鈉硫電池的工作溫度需達300—350℃，當電池單元著火時，火勢就容易向周圍的其他電池單元蔓延，而且控制火勢需要大量時間。

　　據(jù)日本NGK介紹，發(fā)生事故的鈉硫電池中混入了1個“不合格”的電池單元，該電池單元的破損導致高溫溶融物(液態(tài)的鈉和硫)從內部流出。每個電池模塊分成4個區(qū)塊，各區(qū)塊之間設有防止短路及火勢蔓延的砂層。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)塊內部設有用來防止大電流持續(xù)流過的保險絲，但相鄰區(qū)塊之間則未設置。

　　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)生火災的同時，再加上溶融物流出，火勢便蔓延到了整個模塊，進而使受損范圍擴大到了相鄰的模塊。

　　在火災事故發(fā)生后，日本NGK公布了防止事故再次發(fā)生的對策，包括在相鄰區(qū)塊間設置保險絲，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)塊間設置防短路板，進一步保證區(qū)塊間不會因溶融物流出而短路;為避免火勢蔓延，在模塊間設置防火勢蔓延板。

　　對于不合格的電池單元嵌入模塊的原因，日本NGK推測是“制造工序中混入了異物等，這種超出設計允許范圍的問題疊加之后，導致安全功能未能發(fā)揮作用”。但是，有問題的那個電池單元已經燒毀了，所以真正原因無法確定。因此，該公司目前的方針是加強制造工序的管理并對全部產品實施檢查，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鉛蓄電池的約3倍，有望在新一代電網(wǎng)中承擔多種作用，比如通過負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之中。

　　2007年日本消防法修訂了“與危險品限制相關的規(guī)定”，改為允許將不同種類的危險品裝入同一容器內運輸或儲藏，這一措施主要是為了能夠輕松設置鈉硫電池，因為鈉硫電池使用了日本消防法定義為第二類危險品(可燃性固體)的硫，以及定義為第三類危險品(自燃性物質及禁水性物質)的鈉。根據(jù)這一修訂，只要容器及設置場所達到一定標準，即可較輕松地設置鈉硫電池。

　　不過，此次事故說明鈉硫電池的安全技術及火災對策尚未成熟。實際上，除了上面提到的防止事故再次發(fā)生的對策之外，日本NGK還提出了安全強化對策，比如“建立用來在早期發(fā)現(xiàn)火災的監(jiān)控體制”、“設置滅火防火設備并建立滅火體制”，以及“制定火災發(fā)生時的逃生線路并建立引導疏散體制”，要求客戶實施。另外，對于在醫(yī)院及商業(yè)設施等有較多不特定人出入的場所設置鈉硫電池的客戶，暫時要求他們拆除鈉硫電池。

　　日本NGK表示如有客戶申請拆除即會滿足要求，但實際上多數(shù)客戶都希望繼續(xù)使用。目前已有眾多場所將鈉硫電池設置為備用電源，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)擴大。但正因如此，更需要鈉硫電池在安全技術上進一步成熟。

　　Kahuku風電場儲能電站第三次火災

　　2012年8月1日，煙霧報警器突然響起了，報警發(fā)生地是在夏威夷Oahu北側海岸的一個擁有12臺風機、裝機容量30兆瓦的Kahuku風電場。這個風電場是“第一風能”公司開發(fā)，該風電場配備了一個Xtreme Power公司提供的15兆瓦的電池，并將生產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。

　　有媒體評論說大火毀壞了一棟重要的建筑，也為Kahuku風能開發(fā)的未來帶來了不確定因素。儲能行業(yè)將能夠使得風能、太陽能等各種可再生能源變?yōu)槌缮鐣子玫碾娔埽档湍茉吹膬r格，并為零星的海島提供有效地能源解決方案。但直至目前，儲能行業(yè)(除了抽水蓄能)還僅僅處在“有潛力”的階段。儲能行業(yè)的電池供應商們正在經受著各種發(fā)展期的陣痛。

　　消防員直到大火燃燒7小時才進入著火建筑內，因為他們擔心那12000個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月曾經發(fā)生了一場大火，幾乎將大樓整個燒光。今年5月還有一場大火，而這之前的兩場大火的起因都是Dyna公司生產的ECI電容器。根據(jù)《法庭新聞服務》報道，Xtreme公司已經向法院控訴了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，火災看起來是從電池箱內部或邊上開始起火并迅速擴散。Xtreme說，他們正在展開調查，并且電池內無有害材料，也不會對社會造成危害。

　　Kahuku風電場從2011年2月開始投入運營，發(fā)現(xiàn)煙霧時已被立刻關停。這個風電場儲能電站配備了美國最大的儲能系統(tǒng)。這套系統(tǒng)也是第一個在美國能源部貸款計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的纖維材料制造，電池內有約一英里的纖維，且電池內部是干燥的，該電池的技術來源于Tracor與福特航空公司為了電動汽車應用共同開發(fā)的創(chuàng)新技術。

　　Xtreme的化學電容器起到了彌補鋰離子電池性能的作用，它采用了干燥、惰性的材料制備，可在常溫下運行，不像電網(wǎng)級儲能用的納硫電池。

　　第一風電在Haleiwa附近也有一座配備儲能系統(tǒng)的風電場，那個風電場也叫Kawailoa工程。這個風電場從6月開始運行，按照他們CEO的話說，它“完美地運行著”。

　　Xtreme的管理層強調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驗與理念，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證明他們的觀點。

　　專家認為，與普通的火電站相比，電網(wǎng)級的儲能系統(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))有一定的實用價值。