新型儲能快速發(fā)展，鋰電池儲能占絕對主導地位

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

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

氫氣是鋰電池熱失控監(jiān)控的黃金指標

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日正式實施的國家標準GB/T 42288-2022中，強調(diào)“電池室/艙內(nèi)應(yīng)設(shè)置可燃氣體探測器，每個電池模塊可單獨配置探測器”。同時，國內(nèi)外大量的研究報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行有效的監(jiān)測，則可以提前預防電池的熱失控發(fā)生。

氫氣在電池熱失控特別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。電池熱失控過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的釋放對電池熱失控的預警具有重要意義。國內(nèi)外不少文獻已有報道[1,2]，在電池熱失控實驗中，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熱失控氣體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為氫氣傳感器的成本、性能、壽命等多種因素，導致了目前氫氣傳感器在儲能安全監(jiān)測中的實際商業(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）或者TVOC傳感器（半導體電阻原理）作為鋰電熱失控的可燃氣體監(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行過程中，因為老化而產(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)團隊通過和國內(nèi)多家龍頭企業(yè)、研究所和大學的合作，進行了多次電池熱失控的實際監(jiān)測實驗，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。通過鋰電池熱失控的針對性研究以及對實際使用環(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)計上就重點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及數(shù)據(jù)結(jié)果

通過對方殼電池加熱的方式進行熱失控試驗，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。在熱失控試驗結(jié)束后，相應(yīng)傳感器依然能恢復原位。

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行過充時，本傳感器有一個較明顯的變化拐點，而在這過程，電池表面的溫度其實變化不大，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 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，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，因為電池溫度、放電電壓和放電電流等特征參數(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)進行綜合分析及研判，實現(xiàn)對于鋰電池儲能熱失控的更精準判斷，以提高預警的準確性與及時性，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。在各類儲能電站中，電化學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)展報告2023》，鋰離子電池儲能裝置在已投產(chǎn)的新型儲能裝機中占比高達約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)并進行預警，從而最大程度地減少損失。傳統(tǒng)的單一閾值報警存在一定弊端，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、漏報等問題。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)特征進行提取，從而實現(xiàn)更加精準得報警，減少漏報以及誤報。

中科微感氫氣傳感器與其他類型傳感器結(jié)合的探測器，進行光、氣、力、聲、電、熱多維度物理參數(shù)實現(xiàn)熱失效預警，更準確地預警電站熱失控，根據(jù)電站電池的熱失控特性，設(shè)定相應(yīng)的預警閾值，及早發(fā)現(xiàn)特征氣體，使得預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