新型儲能快速發(fā)展，鋰電池儲能占絕對主導(dǎo)地位

國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，截至2023年年底，全國新型儲能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)31.39GW/66.87GWh。其中，2023年新增裝機(jī)就達(dá)到22.6GW/48.7GWh，同比增長超過260%。而在新型儲能項(xiàng)目中，鋰電池儲能占比達(dá)到了97.4%，占據(jù)了絕對主導(dǎo)地位。

來源：中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟

氫氣是鋰電池?zé)崾Э乇O(jiān)控的黃金指標(biāo)

隨著鋰電儲能應(yīng)用的快速發(fā)展，用戶對鋰電儲能安全的監(jiān)測的提出了更高要求。2023年7月1日正式實(shí)施的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 42288-2022中，強(qiáng)調(diào)“電池室/艙內(nèi)應(yīng)設(shè)置可燃?xì)怏w探測器，每個電池模塊可單獨(dú)配置探測器”。同時，國內(nèi)外大量的研究報(bào)告也指出了在鋰電池發(fā)生熱失控的早期，就會釋放出一些關(guān)鍵特征氣體如H2（氫氣）、CO（一氧化碳）、CO2（二氧化碳）、C2H4（乙烯）、CH4（甲烷）。如對這些特征氣體進(jìn)行有效的監(jiān)測，則可以提前預(yù)防電池的熱失控發(fā)生。

氫氣在電池?zé)崾Э靥貏e是電池老化引起的熱失控過程中是更容易釋放，具有產(chǎn)生時間早、氣體量大的特點(diǎn)。電池?zé)崾Э剡^程中氫氣的來源主要是石墨陽極中的積累的氫氣以及鋰與PVDF粘結(jié)劑的反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣。因此，監(jiān)測電池中H2的釋放對電池?zé)崾Э氐念A(yù)警具有重要意義。國內(nèi)外不少文獻(xiàn)已有報(bào)道[1,2]，在電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)中，H2最先被檢測到（比煙霧早639 s，比火焰早769 s），有力地證明了在電池系統(tǒng)中引入H2氣體傳感器是在早期階段阻止熱失控的有效策略。

在0%SOC環(huán)境下的研究表明鋰電池?zé)崾Э貧怏w以氫氣與二氧化碳為主，但市場上傳統(tǒng)四合一模組氫氣傳感器因?yàn)闅錃鈧鞲衅鞯某杀?、性能、壽命等多種因素，導(dǎo)致了目前氫氣傳感器在儲能安全監(jiān)測中的實(shí)際商業(yè)應(yīng)用還很少。目前主流的儲能電池消防安全監(jiān)測模塊，近乎全部采用國外廠商的CO傳感器（電化學(xué)）或者TVOC傳感器（半導(dǎo)體電阻原理）作為鋰電熱失控的可燃?xì)怏w監(jiān)測用。

中科微感儲能安全領(lǐng)域應(yīng)用MEMS基氫氣傳感器

為滿足儲能領(lǐng)域的安全需求，中科微感推出了針對鋰電池儲能系統(tǒng)應(yīng)用的MEMS基氫氣傳感器和模組，可為鋰電儲能系統(tǒng)的安全運(yùn)行增加一維安全監(jiān)測手段，尤其適合監(jiān)測鋰電池在長壽命周期運(yùn)行過程中，因?yàn)槔匣a(chǎn)生熱失控的早期階段氫氣的含量變化監(jiān)測。

中科微感技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過和國內(nèi)多家龍頭企業(yè)、研究所和大學(xué)的合作，進(jìn)行了多次電池?zé)崾Э氐膶?shí)際監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，獲得了寶貴的數(shù)據(jù)，并以此數(shù)據(jù)來優(yōu)化我們的氫氣傳感器。通過鋰電池?zé)崾Э氐尼槍π匝芯恳约皩?shí)際使用環(huán)境因素考慮，該MEMS氫氣傳感器（型號CM-C107S）從材料和器件整體研發(fā)設(shè)計(jì)上就重點(diǎn)考慮以下幾個方面的需求：1、敏感材料在高濃度VOC環(huán)境氣氛下的長期穩(wěn)定性要求；2、傳感器批量的生產(chǎn)的一致性要求；3、對氫氣響應(yīng)的選擇性需求；4、寬量程1 ppm 到15000 ppm的氫氣監(jiān)測范圍的適配性要求。

1.氫氣傳感器（CM-C107S）方殼電池的熱失控試驗(yàn)及數(shù)據(jù)結(jié)果

通過對方殼電池加熱的方式進(jìn)行熱失控試驗(yàn)，在測試過程中，采用10顆氫氣傳感器，發(fā)現(xiàn)各傳感器的響應(yīng)保持較好的響應(yīng)一致性。在監(jiān)測氫氣濃度值，測得最高近乎1.4萬ppm的氫氣。在熱失控試驗(yàn)結(jié)束后，相應(yīng)傳感器依然能恢復(fù)原位。

2.氫氣傳感器（CM-C107S）針對軟包電池過程過程中的釋放氫氣監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果

由下圖可發(fā)現(xiàn)，以4.6 V的電壓給軟包電池進(jìn)行過充時，本傳感器有一個較明顯的變化拐點(diǎn)，而在這過程，電池表面的溫度其實(shí)變化不大，本傳感器可為電池長壽命周期監(jiān)測過程中提供一維有效的異常監(jiān)測。

#MEMS氫氣傳感器特點(diǎn) CM-C107S

01

高穩(wěn)定性

本傳感器能滿足長時間在高濃度TVOC環(huán)境下進(jìn)行氫氣的有效監(jiān)測。

02

寬監(jiān)測范圍

滿足1～10000 ppm的氫氣濃度的監(jiān)測。

03

高穩(wěn)定性和一致性

以CM-A107S氫氣傳感器為例，晶圓級萬顆批量生產(chǎn)，單顆LGA封裝的MEMS氫氣傳感器初始阻值和響應(yīng)值一致性偏差逼近5%，良品率接近98%。

04

高響應(yīng)性

在選擇性上，氫氣傳感器做到了對乙醇、甲烷等氣體幾乎不響應(yīng)，以及通過模組的算法的改進(jìn)，可對CO有較好的選擇性。

05

耐硅中毒性能

滿足1～10000 ppm的氫氣濃度的監(jiān)測。

未來發(fā)展趨勢

目前，氫氣傳感器在多個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，包括燃料電池系統(tǒng)的氫氣泄漏檢測、新能源車輛BMS熱失控檢測以及工業(yè)儲氫等方面。隨著政策的進(jìn)一步扶持和技術(shù)的不斷成熟，新能源車輛市場將迎來更廣闊的發(fā)展空間，而對安全性的需求也將更加迫切，市場潛力巨大。

01

BMS+傳感器融合

在鋰離子電池的熱失控早期，現(xiàn)代BMS往往無法及時監(jiān)測到電池故障，因?yàn)殡姵販囟?、放電電壓和放電電流等特?a target="_blank">參數(shù)變化緩慢。然而，在這一時刻，電池內(nèi)部的電解液會發(fā)生分解反應(yīng)，釋放出氫氣、一氧化碳等氣體。通過檢測氫氣和一氧化碳的濃度，可以及時判斷電池是否發(fā)生熱失控，并采取相應(yīng)的斷電安全保護(hù)措施。相較于傳統(tǒng)的探測器，中科微感的氫氣傳感器響應(yīng)更加敏捷，在安全閥打開、氫氣泄漏的瞬間就能做出劇烈的響應(yīng)。

中科微感致力于推動BMS+多傳感器技術(shù)融合，通過溫度、氣體、氣壓、壓力、電流、電壓等多維感知技術(shù)，以獲取更豐富的數(shù)據(jù)維度，對電芯狀態(tài)進(jìn)行綜合分析及研判，實(shí)現(xiàn)對于鋰電池儲能熱失控的更精準(zhǔn)判斷，以提高預(yù)警的準(zhǔn)確性與及時性，并為處理提供了充足的時間窗口。

02 儲能消防調(diào)整報(bào)警邏輯

儲能企業(yè)對于儲能和釋能過程中的安全性十分重視，尤其是在監(jiān)測氣體濃度方面至關(guān)重要。近年來，儲能電站作為新能源技術(shù)之一得到了快速發(fā)展，在滿足電力系統(tǒng)新能源大規(guī)模接入需求方面發(fā)揮著重要作用。其具備顯著的優(yōu)勢，包括靈活調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。在各類儲能電站中，電化學(xué)儲能電站是較為常見的一種類型。根據(jù)《中國新型儲能發(fā)展報(bào)告2023》，鋰離子電池儲能裝置在已投產(chǎn)的新型儲能裝機(jī)中占比高達(dá)約94.5%。

儲能艙通常采用“早發(fā)現(xiàn)、早處理”的原則，以確保在發(fā)生熱失控時能夠提前發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行預(yù)警，從而最大程度地減少損失。傳統(tǒng)的單一閾值報(bào)警存在一定弊端，比如監(jiān)測維度的缺失，并且由于現(xiàn)階段儲能儲能用鋰電池探測器從屬消防系統(tǒng)參與決策，容易存在誤報(bào)、漏報(bào)等問題。通過融合采集數(shù)據(jù)，以及算法結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對熱失控前、電池正常、電池異常數(shù)特征進(jìn)行提取，從而實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)得報(bào)警，減少漏報(bào)以及誤報(bào)。

中科微感氫氣傳感器與其他類型傳感器結(jié)合的探測器，進(jìn)行光、氣、力、聲、電、熱多維度物理參數(shù)實(shí)現(xiàn)熱失效預(yù)警，更準(zhǔn)確地預(yù)警電站熱失控，根據(jù)電站電池的熱失控特性，設(shè)定相應(yīng)的預(yù)警閾值，及早發(fā)現(xiàn)特征氣體，使得預(yù)警時間比其他類型傳感器提前5-15分鐘。

在未來，中科微感將繼續(xù)致力于氫氣傳感器技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新，以滿足不斷增長的市場需求和行業(yè)挑戰(zhàn)。我們將不斷提升產(chǎn)品性能和可靠性，拓展應(yīng)用領(lǐng)域，助力氫能產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。通過不懈的努力和持續(xù)的創(chuàng)新，我們將為建設(shè)更安全、更智能的氫能社會貢獻(xiàn)更多力量，引領(lǐng)氫氣傳感技術(shù)的未來發(fā)展，共創(chuàng)美好明天。

審核編輯：劉清