摘要：鋰電池儲能電站作為新型清潔能源設(shè)施之一，因其具有高效性、可靠性及可持續(xù)性等諸多優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用。由于鋰電池火災(zāi)的特殊性，鋰電池儲能電站火災(zāi)防控成為新的課題。為提高鋰電池儲能電站火災(zāi)防控的有效性，本文分析了鋰電池儲能電站火災(zāi)發(fā)生的原因及消防安全現(xiàn)狀，并提出了火災(zāi)防控對策，以期為鋰電池儲能電站火災(zāi)防控提供參考。

關(guān)鍵詞：鋰電池；儲能電站；消防現(xiàn)狀；火災(zāi)防控

引言

隨著信息技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)及人工智能等深入發(fā)展，對能源的需求不斷增加。傳統(tǒng)石油、煤等非再生能源不斷減少枯竭，同時(shí)帶來的環(huán)境污染及氣候變化問題日益嚴(yán)重。風(fēng)能、太陽能、生物能等可再生能源具有低碳、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)勢，其開發(fā)利用正受到世界各國的高度關(guān)注和重視，被認(rèn)為是未來能源發(fā)展的主要方向。近年來，我國新型儲能發(fā)展進(jìn)入快車道，據(jù)國家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在裝機(jī)容量方面，截至2023年6月，全國已建成投運(yùn)的新型儲能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)超1430萬千瓦；在投資規(guī)模方面，“十四五”以來，新型儲能裝機(jī)項(xiàng)目極大地帶動了經(jīng)濟(jì)投資發(fā)展，直接投資規(guī)模超1千億元，不僅拓寬了新型儲能產(chǎn)業(yè)鏈，還成為推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“新動能”[1]。

一、鋰電池儲能電站概述

鋰電池儲能電站作為可再生能源設(shè)施之一，具有高效性、可靠性、可持續(xù)性及調(diào)峰填谷、調(diào)頻等諸多優(yōu)勢，近年來被大力推廣。截至2022年，在新型儲能領(lǐng)域，已投運(yùn)鋰離子電池儲能占比超過90%，遠(yuǎn)超壓縮空氣儲能、鉛炭（酸）電池儲能等其他儲能領(lǐng)域[2]，占據(jù)行業(yè)龍頭領(lǐng)導(dǎo)地位。鋰電池儲能電站雖然在緩解能源壓力方面發(fā)揮了重要作用，但給消防安全也帶來了巨大挑戰(zhàn)。伴隨著鋰電池儲能電站的高速發(fā)展，其火災(zāi)或爆炸事故也時(shí)有發(fā)生。從鋰電池儲能電站事故統(tǒng)計(jì)分析來看，事故現(xiàn)場呈現(xiàn)出復(fù)雜性、突發(fā)性等特點(diǎn)，容易造成重大財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。因此，辨識鋰電池儲能電站火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，分析其火災(zāi)事故特點(diǎn)，從而制定有針對性的滅火救援策略，對于高效、安全地處置此類火災(zāi)、減少財(cái)產(chǎn)損失、保障人民群眾生命安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二、鋰電池儲能電站構(gòu)成及火災(zāi)原因

（一）鋰電池儲能電站系統(tǒng)構(gòu)成

鋰電池儲能電站由電池組、電池管理系統(tǒng)（BMS）、能量管理系統(tǒng)（EMS）、電力電子設(shè)備及相關(guān)輔助設(shè)備等組成[3]。電池組是鋰離子電池儲能電站的“心臟”，通常由大量的鋰離子電池單體組成，電池單體通過電氣線路連接拼裝成電池模組，根據(jù)儲能需求大小，可以靈活配置模組的數(shù)量和容量，有利于維護(hù)保養(yǎng)和后期擴(kuò)容增能。電池管理系統(tǒng)（BMS）負(fù)責(zé)對電池組的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和提供保護(hù)，具備實(shí)時(shí)監(jiān)測電池組的狀態(tài)、控制充發(fā)電過程、調(diào)節(jié)溫度和電壓等功能，發(fā)生異常時(shí)及時(shí)報(bào)警，保障電池組運(yùn)行的可靠性和安全性[4]。電力電子設(shè)備用于對電池組進(jìn)行充放電控制和電能轉(zhuǎn)換，包括逆變器、充電器、直流/直流（DC/DC）轉(zhuǎn)換器等，逆變器用于將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，以便與電網(wǎng)或負(fù)荷連接；充電器用于將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能，以便對電池組進(jìn)行充電；DC/DC轉(zhuǎn)換器用于實(shí)現(xiàn)不同電壓層次之間的能量轉(zhuǎn)換。能量管理系統(tǒng)（EMS）負(fù)責(zé)對儲能電站的能量流進(jìn)行調(diào)度和控制，以實(shí)現(xiàn)對能量的高效利用和最優(yōu)管理。EMS可以根據(jù)電網(wǎng)電價(jià)、負(fù)荷需求、能源市場等因素進(jìn)行智能化的能量管理和優(yōu)化控制，以降低能源成本、提高能源利用效率和實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)營。輔助設(shè)備包括變壓器、配電裝置、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等，用于實(shí)現(xiàn)儲能電站與電網(wǎng)、負(fù)荷、發(fā)電設(shè)備等的連接和協(xié)調(diào)運(yùn)行。

（二）火災(zāi)事故原因

鋰電池儲能電站本質(zhì)上是由許多單體電池組裝集合而成的一個(gè)超級電池，在電網(wǎng)中扮演著“大型充電寶”的角色，其火災(zāi)主要發(fā)生在充放電過程中，常見原因有以下幾個(gè)方面。

1.電池內(nèi)部短路發(fā)熱起火

內(nèi)部短路主要有三種情況。第一，析鋰形成鋰枝晶。在電池循環(huán)充放電過程中，鋰離子遷移時(shí)形成鋰枝晶并不斷生長，可能穿透隔膜引起正負(fù)極短路。第二，機(jī)械碰撞。電池在使用過程中，若出現(xiàn)機(jī)械碰撞（如擠壓、針刺等），可能造成電池隔膜破裂，電池內(nèi)部正極與負(fù)極直接接觸，形成內(nèi)部短路。第三，電池本身缺陷，如隔膜被銅箔或鋁箔的毛刺穿破引起短路。

2.外部短路發(fā)熱起火

外部短路主要有三種情形。第一，模組內(nèi)短路。電池單體之間的連接出現(xiàn)問題或者模組內(nèi)部的絕緣材料損壞，導(dǎo)致正負(fù)極直接接觸。第二，模組間發(fā)生短路。模組之間的絕緣材料損壞或者模組安裝不當(dāng)導(dǎo)致正負(fù)極直接接觸。第三，電池串總正總負(fù)短路。電池組的連接線松動或損壞，導(dǎo)致正負(fù)極直接接觸。

3.電池過充起火

鋰電池過充后，電池內(nèi)鋰原子大量遷移至負(fù)極，并堆積在負(fù)極材料表面，而正極內(nèi)鋰原子數(shù)量將剩下不到一半，容易導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)被破壞。堆積在負(fù)極材料表面的鋰原子將形成鋰枝晶，鋰枝晶會穿過隔膜紙，使正負(fù)極發(fā)生內(nèi)短路。

4.外部環(huán)境或不當(dāng)使用起火

當(dāng)電池外部有熱源持續(xù)對電池加熱或電池濫用，會造成電池本體溫度持續(xù)上升，導(dǎo)致電解液與正負(fù)極材料反應(yīng)等一系列副反應(yīng)的發(fā)生。當(dāng)電池內(nèi)部材料本身發(fā)生持續(xù)放熱反應(yīng)后，電池溫度將出現(xiàn)不可控的上升而發(fā)生熱失控。電解液會發(fā)生分解、氣化，造成電池內(nèi)部壓力變大，最后導(dǎo)致外殼破裂。

三、鋰電池儲能電站消防安全現(xiàn)狀

（一）電池本體安全性低

鋰離子電池具有高能量、高密度的特點(diǎn)，在異常情況下容易發(fā)生火災(zāi)、爆炸等消防安全問題。本體安全性低的主要因素是電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性。在電池充放電、外部撞擊、外部加熱等異常情況下，電池容易發(fā)生短路、斷路、過熱等故障，進(jìn)而發(fā)生電池?zé)崾Э?，最終導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸事故。

（二）消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未完善

鋰離子電池儲能電站具有高效性、可靠性、可持續(xù)性等諸多優(yōu)勢，作為新型儲能領(lǐng)域領(lǐng)頭羊，雖然被大力推廣應(yīng)用于電力行業(yè)發(fā)輸電及用電環(huán)節(jié)中，但其消防安全仍處于探索階段，尚未建立完善專門、具體的消防規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系。即便全球電力儲能標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織等國際研究機(jī)構(gòu)頒布部分關(guān)于鋰電池儲能系統(tǒng)的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但其主要集中在鋰電池儲能系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)安全方面，涉及消防安全的內(nèi)容較少，行業(yè)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管控措施標(biāo)準(zhǔn)不夠具體，間接導(dǎo)致火災(zāi)事故防范難度加大，火災(zāi)事故發(fā)生概率增大，一旦發(fā)生火災(zāi)，造成后果將不可估量，如北京豐臺“4.16”儲能電站火災(zāi)事故，造成1名1值班電工遇難、2名消防員犧牲、1名消防員受傷，火災(zāi)直接財(cái)產(chǎn)損失1600多萬元。

（三）缺乏針對性的消防滅火劑

鋰離子電池儲能系統(tǒng)由于電池的特殊性，發(fā)生火災(zāi)時(shí)具有易復(fù)燃、滅火救援困難等特點(diǎn)，沒有研發(fā)出專門、有效的滅火劑。例如，常用的二氧化碳、七氟丙烷等僅能暫時(shí)性地消滅明火，控制火勢發(fā)展，一旦停止釋放滅火劑，鋰電池將出現(xiàn)復(fù)燃情況；水噴淋系統(tǒng)雖然具有良好的滅火控火和降溫效果，但要長時(shí)間、持續(xù)不斷地對其進(jìn)行滅火降溫，用水量非常大，而使用水介質(zhì)進(jìn)行滅火作業(yè)，容易造成電池短路，導(dǎo)致觸電事故。

（四）配套消防設(shè)施可靠性差、針對性不強(qiáng)

現(xiàn)階段的鋰電池儲能電站雖然配置有消防設(shè)施，但由于缺乏相應(yīng)的消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，配置的消防設(shè)施千差萬別。此外，市場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國電池儲能平均成本不斷降低，專家預(yù)測市場為追求利益可能采用更加低廉的設(shè)備，導(dǎo)致儲能產(chǎn)品本質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)增加。在此條件下，儲能電站配套消防設(shè)施的可靠性還有待考究。

四、鋰電池儲能電站火災(zāi)防控對策

（一）加強(qiáng)電池本體安全設(shè)計(jì)

1.防止內(nèi)部短路

研發(fā)正負(fù)極新材料，使負(fù)極電池很難達(dá)到鋰的還原電位，防止鋰金屬析出，從根本上消除金屬鋰枝晶產(chǎn)生的可能性，減少了電池發(fā)生內(nèi)部短路的風(fēng)險(xiǎn)，如鈦酸鋰材料等。鈦酸鋰電池短路產(chǎn)生的Li4/3Ti5/3O4具有很好的絕緣性能，發(fā)生短路時(shí)高電導(dǎo)率的Li7/3Ti5/3O4轉(zhuǎn)變成為低電導(dǎo)率的Li4/3Ti5/3O4，增大回路阻抗，有效地降低了瞬間電流，使發(fā)熱量比其他負(fù)極材料大幅度降低，使電池在較短時(shí)間內(nèi)的溫升緩慢。

2.防止外部短路

通過在電池采樣線纜間、模組間都加裝短路保護(hù)裝置，以防外部短路情況的發(fā)生。

3.防止過充

為了保證電池使用過程的安全性，電池管理系統(tǒng)（BMS）會嚴(yán)格監(jiān)控電池系統(tǒng)中所有單體電池電壓，一旦出現(xiàn)任一電池電壓超過上限閾值，系統(tǒng)立刻斷開充電回路，停止充電，防止過充事故的發(fā)生。

4.防止過熱

通過BMS控制蓄電池箱環(huán)境溫度，配置過熱蓄電池?cái)嚅_系統(tǒng)，防止熱蔓延。

（二）建立消防測試模型，配套專業(yè)消防規(guī)范

消防測試模型能夠使有關(guān)人員清楚了解鋰電池儲能系統(tǒng)的火災(zāi)特性、與其他電站電氣火災(zāi)的區(qū)別，從而為測試鋰電池火災(zāi)防控裝置、全面評估消防安全技術(shù)效果提供技術(shù)支持和理論依據(jù)[5]。在全面掌握鋰電池火災(zāi)特性基礎(chǔ)上，從總平面布局、防火分隔、安全疏散、消防設(shè)施及消防救援等方面提出保證儲能電站消防安全的系統(tǒng)性技術(shù)措施和滅火救援策略，編制適用于鋰電池儲能電站行業(yè)的消防技術(shù)規(guī)范。

（三）設(shè)計(jì)研發(fā)新型滅火劑

鋰電池火災(zāi)與其他物質(zhì)火災(zāi)有著很大的差異，火災(zāi)危險(xiǎn)性相對較高。因此，需要基于鋰電池火災(zāi)特點(diǎn)研發(fā)專門的新型滅火劑。首先，應(yīng)根據(jù)鋰電池火災(zāi)特性，篩選合適的滅火材料來制作滅火劑；其次，應(yīng)依據(jù)鋰電池火災(zāi)發(fā)展及蔓延規(guī)律，研發(fā)適合于鋰電池儲能系統(tǒng)火災(zāi)的滅火器結(jié)構(gòu)，保證可以精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)快速滅火、降溫的目的；最后，優(yōu)化滅火劑及滅火器相關(guān)功能參數(shù)，在保證高效滅火的同時(shí)，降低成本投入。此外，還應(yīng)考慮綠色環(huán)保要求，防止滅火劑釋放后造成環(huán)境污染或人身傷害。

（四）配套針對性消防設(shè)施，提高可靠性

在設(shè)計(jì)鋰電池儲能電站消防設(shè)施時(shí)，應(yīng)充分考慮鋰電池火災(zāi)特性，重點(diǎn)配套能夠有效阻隔電池系統(tǒng)火災(zāi)蔓延，快速降低電池溫度的消防設(shè)施，同時(shí)滅火介質(zhì)應(yīng)能夠多次釋放，以防止火災(zāi)復(fù)燃[6]。消防系統(tǒng)研究應(yīng)聚焦于電池簇、電池包，集成一套既能有效撲滅鋰電池火災(zāi)，又不漏掉電氣設(shè)備火災(zāi)的專用消防系統(tǒng)。同時(shí)，加強(qiáng)儲能電站消防預(yù)警設(shè)施設(shè)計(jì)，通過BMS系統(tǒng)監(jiān)控電池狀態(tài)，及早判斷熱失控發(fā)生的可能性。通過氣體、煙氣及溫度探測設(shè)備，預(yù)警火災(zāi)發(fā)生的可能性，設(shè)計(jì)具有多級預(yù)警和防護(hù)能力的火災(zāi)防控系統(tǒng)。

結(jié)語

近年來，鋰電池儲能電站產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，發(fā)生的火災(zāi)事故越來越多，消防安全問題成為需要解決的重難點(diǎn)問題，必須加強(qiáng)對消防安全技術(shù)措施的研究，以保障鋰電池儲能電站產(chǎn)業(yè)安全、穩(wěn)定發(fā)展。本文深入分析了鋰電池儲能電站火災(zāi)事故的主要原因及消防安全現(xiàn)狀，進(jìn)而提出了針對性的火災(zāi)防控對策，以保證安全、高效地應(yīng)對鋰電池儲能電站火災(zāi)事故，減少火災(zāi)帶來的損失。

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作者簡介：陳冠儒（1988— ），男，漢族，廣西合浦人，本科，中級職稱，研究方向：建筑防火。