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鋰電池的基本特性與安全性問(wèn)題
鋰電池的工作原理及主要類(lèi)型
鋰電池就是利用鋰合金金屬氧化物作為電源的主要元素，同時(shí)使用非水電解質(zhì)作為電源的輔助元素，運(yùn)行機(jī)制主要包括鋰離子在正負(fù)極間的嵌入與脫嵌過(guò)程。在充電過(guò)程中，鋰離子會(huì)從正極分離出來(lái)，然后通過(guò)電解質(zhì)進(jìn)入負(fù)極，使得負(fù)極保持在富含鋰的狀態(tài)，放電的情況是反過(guò)來(lái)的。以磷酸鐵鋰電池為例，其正極反應(yīng)為：放電時(shí)鋰離子嵌入，充電時(shí)鋰離子脫嵌；負(fù)極反應(yīng)為：放電時(shí)鋰離子脫嵌，充電時(shí)鋰離子嵌入。
數(shù)據(jù)中心使用的鋰電池的主要類(lèi)型，常見(jiàn)的有磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。磷酸鐵鋰電池因其高安全性、長(zhǎng)壽命和低成本而被廣泛使用；三元鋰電池則因其高能量密度及元素活潑的特性，被認(rèn)為易于出現(xiàn)熱失控問(wèn)題而逐漸被避免使用。具體在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用中，選擇哪種類(lèi)型的鋰電池還需要考慮數(shù)據(jù)中心的實(shí)際需求，如功率需求、空間限制、成本預(yù)算、安全要求等因素。
此外，對(duì)于鋰電池在數(shù)據(jù)中心的使用，還需要注意其充放電倍率。充放電倍率是指充放電電流與額定容量的比值，它影響著電池的充放電性能和使用壽命。
鋰電池的優(yōu)勢(shì)與局限性
數(shù)據(jù)中心應(yīng)用鋰電池的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
a. 能量密度高：鋰電池的能量密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鉛酸電池，這意味著在相同體積或重量下，鋰電池能提供更長(zhǎng)的后備時(shí)間或支持更高的負(fù)載功率。
b. 壽命長(zhǎng)：鋰電池的循環(huán)壽命長(zhǎng)，即使在頻繁充放電的情況下，也能保持較長(zhǎng)的使用壽命。這有助于減少數(shù)據(jù)中心的維護(hù)成本和降低更換電池的頻率。
c. 環(huán)保：鋰電池不含鉛、鎘等有害重金屬元素，對(duì)環(huán)境友好。同時(shí)，其在使用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生酸霧等有害氣體，對(duì)數(shù)據(jù)中心的環(huán)境影響較小。
d. 充電速度快：鋰電池的充電速度比鉛酸電池快很多，這有助于縮短數(shù)據(jù)中心的停電恢復(fù)時(shí)間，提高系統(tǒng)的可用性。
e. 鉛酸電池的適宜充電和放電溫度一般介于20 ~ 30 ℃，這個(gè)范圍內(nèi)的環(huán)境溫度敏感性較弱。然而，一旦氣候變冷，電池的蓄電效率就可能會(huì)相應(yīng)減弱。尤其是在溫度低于15 ℃ 的情況下，電池的容量減少更為顯著，每降低1 ℃，其可用容量就會(huì)減少大約0.8 %。當(dāng)溫度降至零下，電池的功率可能僅為其平均水平的70%。與此相對(duì)，鋰電池的儲(chǔ)能性質(zhì)對(duì)環(huán)境溫度的反應(yīng)較弱，它的使用環(huán)境溫度范圍更廣，可以在0 ~ 60 ℃。這使得鋰電池在更高或更低的工作溫度條件下仍能保持相對(duì)穩(wěn)定的性能。由于鋰電池的預(yù)期使用年限以及耐熱屬性，它們?cè)跇O端環(huán)境中依然可以維持超過(guò)鉛酸電池的使用年限。
數(shù)據(jù)中心應(yīng)用鋰電池也存在一些局限性：
a. 成本較高：目前，鋰電池的成本仍然高于傳統(tǒng)的鉛酸電池，曾經(jīng)達(dá)到鉛酸電池造價(jià)的3倍以上。雖然隨著技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)模化生產(chǎn)，鋰電池的成本正在逐漸降低，但在某些應(yīng)用中，其成本仍然是一個(gè)重要的考慮因素。
b. 盡管鋰電池在日常操作中是安全的，但如果處于過(guò)度充電、過(guò)度放電或者高溫環(huán)境中，可能會(huì)出現(xiàn)如熱失控等嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，數(shù)據(jù)中心在使用鋰電池時(shí)需要采取嚴(yán)格的安全管理措施。
鋰電池的熱失控安全隱患
鋰電池發(fā)生熱失控主要是由于內(nèi)部產(chǎn)熱遠(yuǎn)高于散熱速率，在鋰離子電池的內(nèi)部積聚了大量的熱量，從而引起了連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致電池起火和爆炸。
常見(jiàn)觸發(fā)鋰電池?zé)崾Э氐墓收项?lèi)型包括：
a. 電池過(guò)熱：這可能是由于電池的選型和熱設(shè)計(jì)不合理，或者外短路導(dǎo)致電池溫度升高、電纜的接頭松動(dòng)等。
b. 過(guò)充電：過(guò)充電觸發(fā)的熱失控通常是由于電池管理系統(tǒng)本身對(duì)過(guò)充電的電路安全功能缺失，導(dǎo)致電池的BMS（電池管理系統(tǒng)）已經(jīng)失控卻還在充電。
c. 內(nèi)短路：電池制造雜質(zhì)、金屬顆粒、充放電膨脹的收縮、析鋰等都有可能造成內(nèi)短路。這種內(nèi)短路是緩慢發(fā)生的，時(shí)間非常長(zhǎng)，而且無(wú)法確定它什么時(shí)候會(huì)出現(xiàn)熱失控。
當(dāng)發(fā)生充電速率過(guò)快、過(guò)度放電、溫度變化、材料變形等情況時(shí)，鋰離子電池內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生枝晶。枝晶是尖銳的樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)，它可能刺穿隔膜，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，進(jìn)而引發(fā)熱失控。
在鋰電池的熱失控過(guò)程中，可能會(huì)產(chǎn)生大量的易燃?xì)怏w，例如氫氣和一氧化碳等，這些氣體在特定環(huán)境下有可能觸發(fā)爆炸。
為了預(yù)防鋰電池?zé)崾Э?，可以采取?yōu)化電池設(shè)計(jì)、改進(jìn)電池管理、控制充電速率、避免過(guò)度充放電、保持適宜的環(huán)境溫度等措施。這些措施有助于延長(zhǎng)鋰電池的壽命并提高使用安全性。
消防安全規(guī)范對(duì)鋰電池應(yīng)用的要求
為了確保鋰電池的安全應(yīng)用，各國(guó)已出臺(tái)相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。例如，我國(guó)在GB 51048 - 2014《電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確規(guī)定了鋰電池的選用、布置、防火和安全間距等方面的要求。規(guī)范強(qiáng)調(diào)了鋰電池的火災(zāi)危險(xiǎn)性，要求在設(shè)計(jì)中充分考慮鋰電池的火災(zāi)預(yù)防和應(yīng)對(duì)措施。具體來(lái)說(shuō)，應(yīng)設(shè)置有效的火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)等，以確?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并控制火勢(shì)。此外，規(guī)范還要求對(duì)鋰電池的充電和放電過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控，防止過(guò)充和過(guò)放引發(fā)的火災(zāi)事故。
此外，行業(yè)人士在團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)方面也作了有益的探索，包括筆者作為主要起草人的T / DZJN 80 - 2022《數(shù)據(jù)中心用鋰離子電池設(shè)備產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和T / CABEE 056 - 2023《數(shù)據(jù)中心鋰離子電池室設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等。
T / DZJN 80 - 2022要求電池系統(tǒng)應(yīng)安裝獨(dú)立的滅火裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)滅火功能，應(yīng)采用模塊內(nèi)滅火裝置或機(jī)柜內(nèi)滅火裝置，滅火材質(zhì)宜使用全氟己酮或七氟丙烷。此外，也提到電池艙式水浸沒(méi)滅火裝置，即電池模塊布置在半封閉式的電池倉(cāng)內(nèi)，通過(guò)火探管在設(shè)定溫度時(shí)報(bào)警，聯(lián)動(dòng)注水浸沒(méi)電池滅火，利用水比容大的特點(diǎn)達(dá)到持續(xù)降溫控制熱失控的目的。
T / CABEE 056 - 2023在設(shè)計(jì)層面限定電池室適用于室內(nèi)放置鋰電池總?cè)萘看笥?0 kWh、小于等于600 kWh；鑒于熱失控初期釋放的氣體特性，應(yīng)配置CO或H2探測(cè)器；鋰電池室宜配置水噴霧滅火系統(tǒng)或自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，要求消防用水應(yīng)滿足2.0 h持續(xù)供水能力；為防止復(fù)燃，不同水滅火系統(tǒng)還應(yīng)存在7 ~ 10 h的持續(xù)供水能力。與鉛酸電池室采用氣體滅火時(shí)須遵循空間不大于3 600 m3不同，鋰電池室的空間受電池總?cè)萘肯拗茣?huì)小得多；在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，按要求限制好每個(gè)電池室的電池安裝總?cè)萘浚湍茌^輕松地實(shí)現(xiàn)持續(xù)供水要求。
數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)中鋰電池的應(yīng)用分析
鉛酸電池與鋰電池的特性差異
首先，鉛酸電池是傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)常用的電池技術(shù)，分為密封鉛酸電池和開(kāi)放式鉛酸電池兩種類(lèi)型。它們通常具有較短的使用壽命，并需要定期維護(hù)，包括檢查電解液水平和可能的水分補(bǔ)充。相比之下，鋰電池作為新一代的UPS電池技術(shù)，通常具有更長(zhǎng)的壽命，并且不需要定期維護(hù)，因?yàn)樗鼈兪敲芊獾模瑹o(wú)需補(bǔ)充水分。
接下來(lái)，從性能角度看，鋰電池的尺寸更小、質(zhì)量更輕，同等體積的鋰電池的容量超過(guò)鉛酸電池。此外，鋰電池還具有出色的高溫性能，可在較寬的溫度范圍內(nèi)工作，并且充電速度更快，可大電流充放電。這些性能優(yōu)勢(shì)使得鋰電池在UPS系統(tǒng)中的應(yīng)用更加靈活和高效。
再者，鋰電池的生產(chǎn)成本通常超過(guò)鉛酸電池，其價(jià)格大約是鉛酸電池的3倍，而且其回收價(jià)值并不高，如果不當(dāng)使用，還可能帶來(lái)一些安全風(fēng)險(xiǎn)，比如電解液分解、燃燒甚至爆炸。因此，在選擇UPS電池技術(shù)時(shí)，需要綜合考慮這些因素。
UPS配合鉛酸電池與配合鋰電池在電池管理方面的差異
首先，鉛酸電池由于其技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛，電池管理系統(tǒng)（BMS）相對(duì)簡(jiǎn)單。它主要關(guān)注電池的電壓、電流和溫度等基本參數(shù)，以確保電池在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。鉛酸電池的BMS通常不需要復(fù)雜的算法和控制策略，因?yàn)槠潆娀瘜W(xué)特性相對(duì)穩(wěn)定。
相比之下，鋰電池具有更高的能量密度、更輕的重量和更長(zhǎng)的壽命等優(yōu)勢(shì)，但其電化學(xué)特性也更為復(fù)雜。因此，鋰電池的BMS需要更加精確和復(fù)雜的控制策略。除了基本的電壓、電流和溫度監(jiān)控外，鋰電池的BMS還需要考慮電池的荷電狀態(tài)（SOC）、健康狀態(tài)（SOH）以及功率狀態(tài)（SOP）等多個(gè)方面。此外，由于鋰電池在過(guò)充、過(guò)放、高溫甚至短路等情況下可能引發(fā)安全問(wèn)題，其BMS還必須具備多重安全保護(hù)功能。
在充電和放電管理方面，鉛酸電池通常采用較為簡(jiǎn)單的恒壓或恒流充電方式，而鋰電池則需要更加精確的充電控制策略，如恒流 - 恒壓（CC - CV）充電方式。此外，鋰電池的放電管理也需要考慮放電速率、放電深度以及放電過(guò)程中的溫度變化等因素。
這就使得UPS適配鋰電池的電池管理系統(tǒng)，需要著重考慮BMS的復(fù)雜性、控制策略及安全保護(hù)等方面的要求。
UPS備用鋰電池與電化學(xué)儲(chǔ)能的區(qū)別與聯(lián)系
近年來(lái)，行業(yè)內(nèi)存在一種聲音，要求UPS超配電池容量，利用峰谷電價(jià)套利。這是另一種形式的電化學(xué)儲(chǔ)能，但實(shí)際上，UPS備用鋰電池與電化學(xué)儲(chǔ)能之間還存在一些區(qū)別與聯(lián)系。
區(qū)別：
a. 應(yīng)用場(chǎng)景：UPS備用鋰電池主要用于在不間斷電源系統(tǒng)中提供備用電力，確保在市電中斷或異常時(shí)能夠持續(xù)為關(guān)鍵負(fù)載提供電力。而電化學(xué)儲(chǔ)能則更廣泛地應(yīng)用于各種場(chǎng)景，包括電力系統(tǒng)、交通運(yùn)輸、工業(yè)制造等，用于實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存、釋放與管理。
b. 電池性能：如果配儲(chǔ)方案里面是使用同一種電芯既做備電也做儲(chǔ)能，需要制定動(dòng)態(tài)合理調(diào)整備電和儲(chǔ)能電量分配的策略，而且為了儲(chǔ)能對(duì)后備電芯超配會(huì)造成很高的額外占地成本、設(shè)備成本；此外儲(chǔ)能電芯放電倍率往往只有0.5 C，而備電電芯為3 ~ 6C，備電電芯用于儲(chǔ)能，循環(huán)壽命通常只有儲(chǔ)能型電芯一半左右。
c. 熱管理需求問(wèn)題：備電電芯短時(shí)高倍率放電，儲(chǔ)能電芯長(zhǎng)時(shí)低倍率放電。在實(shí)際工程實(shí)踐中，后備電池散熱多為開(kāi)放式風(fēng)冷。但是儲(chǔ)能電芯放電長(zhǎng)達(dá)若干小時(shí)，熱負(fù)荷計(jì)算差異很大。如果用數(shù)據(jù)中心配置制冷方式，對(duì)于儲(chǔ)能散熱條件來(lái)說(shuō)，很可能因?yàn)榕渲美淞坎蛔銓?dǎo)致電池室過(guò)熱，還可能引發(fā)熱失控等風(fēng)險(xiǎn)。
聯(lián)系：
a. 電池技術(shù)：UPS備用鋰電池和電化學(xué)儲(chǔ)能都采用了鋰電池技術(shù)，具有相似的電池原理和化學(xué)反應(yīng)。這使得它們?cè)陔姵匦阅?、壽命和安全性等方面有一定的共通性?
b. 能量?jī)?chǔ)存與釋放：UPS備用鋰電池和電化學(xué)儲(chǔ)能都是通過(guò)電池來(lái)完成能量的儲(chǔ)存和釋放。當(dāng)需求出現(xiàn)時(shí)，這些設(shè)備都有能力釋放其內(nèi)部的能源，以應(yīng)對(duì)各種電力需求。
由上述條件所知，雖然UPS備用鋰電池與電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)在某些方面存在共通性，但它們的設(shè)計(jì)目標(biāo)、應(yīng)用場(chǎng)景及性能要求存在顯著差異。因此，UPS備用鋰電池并不完全適用于電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。如果將UPS備用鋰電池直接用于電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，可能會(huì)導(dǎo)致性能下降、安全隱患等問(wèn)題。因此，在設(shè)計(jì)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和需求進(jìn)行綜合考慮。
