陸夢羽，楊寶珠，李 爭，李洪廣，韋文賢

(中車大連機車研究所有限公司，遼寧 大連 116021)

0 引言

隨著國內(nèi)儲能市場的飛速發(fā)展，鋰離子儲能系統(tǒng)的安全越來越受到關注。鋰離子電池的熱保障技術、火災防控技術是保證儲能系統(tǒng)安全、高效運行的關鍵。自《可再生能源發(fā)展指導目錄》頒布以來，我國儲能產(chǎn)業(yè)已發(fā)展十幾年之久。2018年，在電網(wǎng)側(cè)儲能大規(guī)模投運以及鋰電池成本持續(xù)下降背景下形成了產(chǎn)業(yè)爆發(fā)，業(yè)內(nèi)稱之為儲能元年。截至2020 年9 月底，全球已投運儲能項目累計裝機規(guī)模186.1 GW，同比增長2.2 %。其中在電化學儲能中，鋰離子電池累計裝機規(guī)模達到9 881.19 MW，裝機占比達到90 %。鋰離子電池儲能是儲能領域最具應用前景的技術之一，鋰離子電池具有高工作電壓、高能量密度、高比容、長循環(huán)壽命、響應速度快等優(yōu)點，使其成為儲能電站的首選[1]。但由于其獨特的化學性質(zhì)與儲能特性，當其在過熱、過充、短路、刺穿或老化、擠壓等條件下會發(fā)生熱失控、破裂、起火甚至爆炸等情況[2]。

2011 年日本連續(xù)燒掉兩座電池儲能電站；2017年3 月山西某火力發(fā)電廠儲能系統(tǒng)發(fā)生火災[3]；從2017 年8 月韓國高昌發(fā)生的第一次火災算起，截至2019 年10 月韓國發(fā)生了27 起ESS 火災事故；2018 年9 月江蘇揚中市側(cè)儲能磷酸鐵鋰離子電池集裝箱起火燒毀；2019 年6 月北京某酒店儲能系統(tǒng)失火；2020-09-15 丹麥能源開發(fā)商φrsted 位于英國利物浦卡耐基路的儲能項目發(fā)生火災事故。多次重大事故的發(fā)生凸顯出提升儲能系統(tǒng)火災防控技術水平的重要性。

1 鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災危險性分析

1.1 鋰離子電池火災危險性分析——本質(zhì)安全

鋰離子電池是一類由鋰離子在正負極之間往復運動進行充放電的二次電池。其可選的正極材料眾多，市面上最常見的材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、磷酸鐵鋰以及三元鋰。大量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池的火災主要是由于其結(jié)構(gòu)破壞導致隔膜破裂、崩潰、刺破，使鋰離子電池內(nèi)部正負極發(fā)生短路導致熱失控，進而導致電極、電解液分解、蒸發(fā)生成電解液蒸汽及其他可燃氣體，一旦熱量大量積聚時，極容易發(fā)生燃燒乃至爆炸(見圖1）。由于鋰離子電池正極材料的特殊析氧、析氫反應，撲救鋰離子電池火災難度較大；李毅等還發(fā)現(xiàn)電池組中的單只鋰離子電池燃燒后可引燃相鄰電池，形成連鎖燃燒反應[4]。通過研究鋰離子電池火災的發(fā)生機制，改善鋰離子電池材料安全性，改變生產(chǎn)制造工藝，是提升鋰離子電池本質(zhì)安全、降低鋰離子電池火災危險性的主要途徑。

圖1 鋰離子電池火災發(fā)生原因

1.2 電氣設備火災危險性分析——使用安全

鋰離子電池儲能系統(tǒng)所配備的大量電氣設備(PCS、空調(diào)、風機、配電柜、監(jiān)控柜等)是儲能系統(tǒng)消防往往忽略的區(qū)域。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國發(fā)生的各大火災事故中，半數(shù)以上都屬于電氣火災[5]，然而原本小范圍的電氣火災，卻會誘發(fā)更嚴重的鋰離子電池火災。儲能電池雖然較動力電池工作環(huán)境更優(yōu)越、充放電倍率更低，但是卻擁有著動力電池幾倍乃至幾十倍的存儲電量。儲能系統(tǒng)電氣設備的超負荷運轉(zhuǎn)、保護元件失效、接線松動、設備老化等原因引起的過熱、短路、電火花、電弧現(xiàn)象屢見不鮮。

鋰離子電池儲能系統(tǒng)雖然具備了電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS），在一定程度上大幅優(yōu)化了充放電性能，但卻不具備預測超早期火災的能力，很難配合自動滅火設備進行早期干預。目前儲能BMS 系統(tǒng)與消防換熱系統(tǒng)相對獨立，無法充分發(fā)揮滅火系統(tǒng)的滅火能力。

2 鋰離子電池儲能系統(tǒng)安全相關標準

鋰離子電池儲能系統(tǒng)經(jīng)過多年發(fā)展，針對儲能系統(tǒng)安全的標準體系也在逐漸完善。沉痛的火災教訓使得各個國家的標準化機構(gòu)將儲能系統(tǒng)安全的標準體系建立作為重要的工作之一，但大多數(shù)規(guī)范仍處于制定和摸索中。表1 是全球范圍內(nèi)針對鋰離子儲能系統(tǒng)安全發(fā)布的部分相關標準。

表1 現(xiàn)有鋰離子電池儲能系統(tǒng)相關標準

國際電工組織(IEC)在2012 年成立了儲能技術委員會，其發(fā)布的IEC 62933 著重考慮儲能設備環(huán)境與儲能系統(tǒng)的電氣安全。美國FM 聯(lián)合保險商協(xié)會、美國UL 保險商實驗室、美國消防協(xié)會分別在2017，2018，2019 先后發(fā)布UL 9540，F(xiàn)MDS 5-33，NFPA 855-2020 等標準。其中NFPA 855-2020 是國際上新發(fā)布的最全面的儲能系統(tǒng)安裝的防火標準，該標準包含了儲能系統(tǒng)所使用的儲能技術，包括安裝設置、系統(tǒng)大小、隔離方式以及滅火和控制系統(tǒng)的要求等。澳大利亞2019 年發(fā)布的AS/NZS 5139-2019 填補了用戶側(cè)儲能的安全標準，確保了用戶側(cè)儲能系統(tǒng)的安全性、一致性與可靠性。2017 年以來我國陸續(xù)發(fā)布了一系列以電池、組件、安裝環(huán)境、運行維護、回收等層級路線的規(guī)范，但是現(xiàn)有的GB 51048—2014《電化學儲能電站設計規(guī)范》對于儲能系統(tǒng)的火災危險性認識不足，導致現(xiàn)有的儲能系統(tǒng)消防的設計、安裝、運行、管理無據(jù)可依[6]。

3 鋰離子電池儲能系統(tǒng)消防現(xiàn)狀

3.1 缺乏專用于鋰離子電池儲能系統(tǒng)滅火劑

鋰離子電池火災與普通火災具有較大的區(qū)別，鋰離子電池本身就是一類含能物質(zhì)，其具有燃燒激烈與熱蔓延迅速的特點，燃燒時毒性強、煙塵大，滅火后易復燃、撲救難度大。面對以上特征，僅使用現(xiàn)有的普通滅火劑很難有效解決儲能鋰離子電池的火災隱患。鋰離子電池熱失控后可自發(fā)燃燒，自身提供燃燒物、助燃物、熱量，形成火三角，發(fā)生爆燃。因此要求鋰離子電池火災滅火劑既能快速撲滅明火，又能擁有快速降溫的能力，否則鋰離子電池火災將極易復燃。

表2 總結(jié)了不同類型滅火劑對鋰離子電池火災的抑制情況、滅火機理，并對其優(yōu)缺點進行分析比較?？赏ㄟ^以下手段有效解決鋰離子電池火災事故的發(fā)生。

表2 不同類型滅火劑對鋰離子電池火災的抑制

(1) 開發(fā)專用于鋰離子電池火災的新型滅火劑(難度很大)。

(2) 充分利用現(xiàn)有滅火劑優(yōu)點，將氣液結(jié)合使用，從而達到滅火與持續(xù)降溫的效果。

(3) 深入探究熱失控機理，極早期發(fā)現(xiàn)熱失控點，精準并能持續(xù)噴放滅火劑，將火災抑制在萌芽狀態(tài)。

3.2 現(xiàn)有鋰離子電池儲能系統(tǒng)消防系統(tǒng)效果

由于儲能系統(tǒng)消防安全規(guī)范的缺失，使得目前儲能消防處于一種“有但未必有用”的境況。2020年1 月，我國電池儲能平均成本2.549 元/kWh，同年3 月我國電池儲能平均成本1.643 元/kWh，一個季度降低近三成。專家預測市場為了追求利益可能會采用更加低廉的設備，這將誘導發(fā)生產(chǎn)品質(zhì)量安全風險，此背景下儲能消防面臨更加不利的境況，這同樣是導致儲能消防設施可靠性差的根本原因。設計儲能系統(tǒng)消防時，必須著重考慮有效阻隔電池系統(tǒng)的火災蔓延，實現(xiàn)快速降溫和使用高效滅火介質(zhì)，與此同時滅火介質(zhì)的多次釋放可防止火災復燃。在現(xiàn)有大空間浸沒式滅火的基礎上將焦點聚集到電池簇、電池包上，集成一套專用于儲能消防設施，既能持續(xù)有效撲救鋰離子電池火災，又不漏掉電氣設備火災的消防系統(tǒng)。實現(xiàn)探測設備、BMS、視頻監(jiān)控設施的多方位、高精度、多物理量的預警與靈活的滅火設備的協(xié)同作用。

4 鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災防控設計思路

4.1 電池設計與電池集裝箱系統(tǒng)集成的設計

鋰離子電池系統(tǒng)使用鋰離子電池作為基本單元，其可分為電池單體、模組、電池包和系統(tǒng)四個層級。對于電池單體(電芯)，電池熱失控過程主要為固體電解質(zhì)界面膜與隔膜分解、電池正負極短路、電解質(zhì)溶液反應、電極溶解并產(chǎn)生熱四個過程。平平提出針對上述過程可通過降低電池內(nèi)電解液的含量，提高電解液與SEI 的熱穩(wěn)定性、降低電解液與正負極材料的熱反應活性來抑制。

儲能系統(tǒng)主要由電池、電池管理系統(tǒng)(BMS)、儲能變流器(PCS)和能量管理系統(tǒng)(EMS)四大塊集成。電池系統(tǒng)集成處理應充分考慮其消防安全性能：電池結(jié)構(gòu)設計、熱管理設計、機械應力設計、電池的一致性設計等。

在充分考慮電池的散熱與防火的基礎上，優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)設計。不應過度追求密度，而忽略熱管理系統(tǒng)系統(tǒng)的的重要性。在電池一致性方面，通常通過優(yōu)化電池工藝、使用電池均衡器進行干預、改變電池組的連接方式解決。

4.2 消防預警、聯(lián)動與滅火系統(tǒng)設計

消防預警應當通過以下兩方面來解決。

(1) 通過BMS 獲取電池的溫度、電壓、電阻等參數(shù)用以判斷電池工作狀態(tài)，能夠極早期地判斷熱失控。

(2) 深入研究鋰離子電池熱失控特性及相應的探測設備。由于鋰離子電池熱失控時會產(chǎn)生大量特征性氣體(例如：氫氣、一氧化碳、烷烴類氣體)，故可將氣體探測作為鋰離子電池火災探測的指標。

消防預警可靠性關系到儲能電站消防系統(tǒng)的有效性，可采用多物理量復合的探測設備，設計具有多級預警和防護能力的火災防控系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)的消防設計應當綜合考慮滅火與降溫的協(xié)同作用，即具備滅火與快速降溫的特性才可以有效撲滅鋰離子電池火災。

5 結(jié)束語

鋰離子電池儲能系統(tǒng)是可再生能源的重要組成部分，它將在發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)、用戶側(cè)發(fā)揮重要作用。為使儲能系統(tǒng)長期、健康地發(fā)展，應當從電池的本質(zhì)安全、使用過程安全、消防系統(tǒng)安全考慮，構(gòu)筑起鋰離子電池儲能系統(tǒng)的安全防線。在儲能消防安全相關標準與規(guī)范發(fā)布之前，儲能消防安全仍任重道遠。