陸夢羽，楊寶珠，李 爭，李洪廣，韋文賢

(中車大連機(jī)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(guān)注。鋰離子電池的熱保障技術(shù)、火災(zāi)防控技術(shù)是保證儲能系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行的關(guān)鍵。自《可再生能源發(fā)展指導(dǎo)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(yùn)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(yùn)儲能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模186.1 GW，同比增長2.2 %。其中在電化學(xué)儲能中，鋰離子電池累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到9 881.19 MW，裝機(jī)占比達(dá)到90 %。鋰離子電池儲能是儲能領(lǐng)域最具應(yīng)用前景的技術(shù)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(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，使其成為儲能電站的首選[1]。但由于其獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)與儲能特性，當(dāng)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(zāi)[3]；從2017 年8 月韓國高昌發(fā)生的第一次火災(zāi)算起，截至2019 年10 月韓國發(fā)生了27 起ESS 火災(zāi)事故；2018 年9 月江蘇揚(yáng)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(xiàng)目發(fā)生火災(zāi)事故。多次重大事故的發(fā)生凸顯出提升儲能系統(tǒng)火災(zāi)防控技術(shù)水平的重要性。

1 鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災(zāi)危險(xiǎn)性分析

1.1 鋰離子電池火災(zāi)危險(xiǎn)性分析——本質(zhì)安全

鋰離子電池是一類由鋰離子在正負(fù)極之間往復(fù)運(yùn)動進(jìn)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(zāi)主要是由于其結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致隔膜破裂、崩潰、刺破，使鋰離子電池內(nèi)部正負(fù)極發(fā)生短路導(dǎo)致熱失控，進(jìn)而導(dǎo)致電極、電解液分解、蒸發(fā)生成電解液蒸汽及其他可燃?xì)怏w，一旦熱量大量積聚時(shí)，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(yīng)，撲救鋰離子電池火災(zāi)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(yīng)[4]。通過研究鋰離子電池火災(zāi)的發(fā)生機(jī)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(zāi)危險(xiǎn)性的主要途徑。

圖1 鋰離子電池火災(zāi)發(fā)生原因

1.2 電氣設(shè)備火災(zāi)危險(xiǎn)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(shè)備(PCS、空調(diào)、風(fēng)機(jī)、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(zāi)事故中，半數(shù)以上都屬于電氣火災(zāi)[5]，然而原本小范圍的電氣火災(zāi)，卻會誘發(fā)更嚴(yán)重的鋰離子電池火災(zāi)。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(shè)備的超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)、保護(hù)元件失效、接線松動、設(shè)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(yù)測超早期火災(zāi)的能力，很難配合自動滅火設(shè)備進(jìn)行早期干預(yù)。目前儲能BMS 系統(tǒng)與消防換熱系統(tǒng)相對獨(dú)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)

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(biāo)準(zhǔn)體系也在逐漸完善。沉痛的火災(zāi)教訓(xùn)使得各個(gè)國家的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)將儲能系統(tǒng)安全的標(biāo)準(zhǔn)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 現(xiàn)有鋰離子電池儲能系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

國際電工組織(IEC)在2012 年成立了儲能技術(shù)委員會，其發(fā)布的IEC 62933 著重考慮儲能設(shè)備環(huán)境與儲能系統(tǒng)的電氣安全。美國FM 聯(lián)合保險(xiǎn)商協(xié)會、美國UL 保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)包含了儲能系統(tǒng)所使用的儲能技術(shù)，包括安裝設(shè)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(bǔ)了用戶側(cè)儲能的安全標(biāo)準(zhǔn)，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(yùn)行維護(hù)、回收等層級路線的規(guī)范，但是現(xiàn)有的GB 51048—2014《電化學(xué)儲能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》對于儲能系統(tǒng)的火災(zāi)危險(xiǎn)性認(rèn)識不足，導(dǎo)致現(xiàn)有的儲能系統(tǒng)消防的設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)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(zāi)與普通火災(zāi)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(diǎn)，燃燒時(shí)毒性強(qiáng)、煙塵大，滅火后易復(fù)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(zāi)隱患。鋰離子電池?zé)崾Э睾罂勺园l(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(zāi)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(zāi)將極易復(fù)燃。

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

表2 不同類型滅火劑對鋰離子電池火災(zāi)的抑制

(1) 開發(fā)專用于鋰離子電池火災(zāi)的新型滅火劑(難度很大)。

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

(3) 深入探究熱失控機(jī)理，極早期發(fā)現(xiàn)熱失控點(diǎn)，精準(zhǔn)并能持續(xù)噴放滅火劑，將火災(zāi)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(gè)季度降低近三成。專家預(yù)測市場為了追求利益可能會采用更加低廉的設(shè)備，這將誘導(dǎo)發(fā)生產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)，此背景下儲能消防面臨更加不利的境況，這同樣是導(dǎo)致儲能消防設(shè)施可靠性差的根本原因。設(shè)計(jì)儲能系統(tǒng)消防時(shí)，必須著重考慮有效阻隔電池系統(tǒng)的火災(zāi)蔓延，實(shí)現(xiàn)快速降溫和使用高效滅火介質(zhì)，與此同時(shí)滅火介質(zhì)的多次釋放可防止火災(zāi)復(fù)燃。在現(xiàn)有大空間浸沒式滅火的基礎(chǔ)上將焦點(diǎn)聚集到電池簇、電池包上，集成一套專用于儲能消防設(shè)施，既能持續(xù)有效撲救鋰離子電池火災(zāi)，又不漏掉電氣設(shè)備火災(zāi)的消防系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)探測設(shè)備、BMS、視頻監(jiān)控設(shè)施的多方位、高精度、多物理量的預(yù)警與靈活的滅火設(shè)備的協(xié)同作用。

4 鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災(zāi)防控設(shè)計(jì)思路

4.1 電池設(shè)計(jì)與電池集裝箱系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)

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(gè)層級。對于電池單體(電芯)，電池?zé)崾Э剡^程主要為固體電解質(zhì)界面膜與隔膜分解、電池正負(fù)極短路、電解質(zhì)溶液反應(yīng)、電極溶解并產(chǎn)生熱四個(gè)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(fù)極材料的熱反應(yīng)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(yīng)充分考慮其消防安全性能：電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱管理設(shè)計(jì)、機(jī)械應(yīng)力設(shè)計(jì)、電池的一致性設(shè)計(jì)等。

在充分考慮電池的散熱與防火的基礎(chǔ)上，優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。不應(yīng)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(jìn)行干預(yù)、改變電池組的連接方式解決。

4.2 消防預(yù)警、聯(lián)動與滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

消防預(yù)警應(yīng)當(dāng)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?zé)崾Э靥匦约跋鄳?yīng)的探測設(shè)備。由于鋰離子電池?zé)崾Э貢r(shí)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(zāi)探測的指標(biāo)。

消防預(yù)警可靠性關(guān)系到儲能電站消防系統(tǒng)的有效性，可采用多物理量復(fù)合的探測設(shè)備，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)。儲能系統(tǒng)的消防設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)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(zāi)。

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(yīng)當(dāng)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范發(fā)布之前，儲能消防安全仍任重道遠(yuǎn)。