電化學儲能電站火災的防與控

文/許佳佳 王青松

編輯 朱麗晶

電化學儲能產業具有廣闊前景，但在熱失控時，可能引發火災甚至爆炸，并產生有毒氣體，造成經濟損失和人員傷亡。本文介紹了電化學儲能電站火災事故的特點及危害，并提出防控手段。

近年來，化石能源的日益枯竭和其所帶來的溫室效應，使得人們逐漸摒棄傳統能源。越來越多的新能源，例如太陽能、氫能、風能等，開始接入電力系統。其中，鋰離子電池由于其具有循環壽命長、工作電壓高、能量密度高、自放電小等優點，成為電化學儲能的主力。根據《國家發展改革委 國家能源局關于加快推動新型儲能發展的指導意見》（發改能源規〔2021〕1051 號），到2025 年，新型儲能裝機規模將達3 000 萬千瓦以上，因此，電化學儲能產業前景廣闊。

然而，鋰離子電池在過熱、過充放電和短路等濫用情況下，會發生熱失控。熱失控時，電池內部發生劇烈的放熱反應，產生大量的熱量和有毒可燃氣體，并有可能引發火災甚至爆炸。同時，有毒氣體也會對人們的生命安全造成威脅，進而造成大量的經濟損失和人員傷亡。因此，為了防止電化學儲能電站火災事故的發生，需要有效的防控手段。

電化學儲能電站火災特點及危害

電池升溫快 溫度高

電池在濫用條件下，電池溫度逐漸升高，電池內部材料，如正負極材料、電解液相繼發生反應。這些放熱反應產生的熱量在電池內部慢慢積聚，使得電池溫度進一步升高，同時也促進了后續放熱反應的發生。

當電池溫度達到熱失控臨界溫度時，電池發生熱失控，在短時間內產生大量的熱量，電池溫度驟升。從圖1 可以看出，電池表面溫度在熱失控時迅速從130 ℃上升至522 ℃。由于放熱反應發生在電池內部，因此電池內部溫度更高，可以達到800 ～900 ℃，甚至1 000 ℃。

圖1 三元鋰離子電池熱失控過程中溫度、電壓變化

伴隨猛烈射流火 燃燒劇烈

儲能電站常用的電池類型主要為方形硬殼電池，此類電池往往配置有安全閥，來避免因壓力過大發生爆炸。隨著電池溫度的升高，電池內部產生一些可燃氣體。隨著可燃氣體的不斷積聚，電池內部壓力逐漸增加，當電池內部壓力達到電池安全閥破裂閾值時，電池安全閥破裂，大量的可燃氣體和電池內部材料被噴射出。

當電池發生熱失控時，在電池極高溫度的作用下，可燃氣體和可燃物質如電解液等被引燃，從安全閥處噴射出猛烈的射流火，火焰高度最高可以達到1 米。

熱失控易傳播

在儲能電站中，電池緊密排列在一起形成模組。當模組中的一節電池發生熱失控時，緊密排列使得熱量可以迅速傳遞到相鄰電池，使相鄰電池異常升溫。此外，猛烈的射流火由于蓋板的阻擋，對相鄰電池的熱輻射增加，相鄰電池的溫度進一步升高，直至發生熱失控，最終，電池在模組中發生熱失控傳播。

氣體具有爆炸性

電池熱失控時，大量的氣體從安全閥噴射出，氣體主要為H2、CO、CO2、CH4、C2H4和電解液因高溫汽化產生的氣體。其中一部分可燃氣體會在燃燒中消耗，還有部分未燃燒的會積聚在模組內部，隨著模組中熱失控傳播的不斷擴展，模組中可燃氣體越來越多，造成模組壓力增加，最終可能會因壓力過大發生物理爆炸。

此外，可燃氣體的濃度逐漸增加，當達到混合可燃氣體的爆炸極限，即超過爆炸下限6.1%時，熱失控電池的高溫作為點燃源，當遇到足夠的氧氣時，可燃氣體會發生化學爆炸，最大爆炸壓力可以達到0.76 MPa，巨大的爆炸壓力可以對電池簇、集裝箱造成嚴重的破壞，進而帶來經濟損失，甚至人員傷亡。例如在北京豐臺“4·16”儲能電站火災事故中，由于儲能電站發生了爆炸，導致2 名消防人員死亡。

氣體具有毒性

電池熱失控產生的一些氣體除了具有可燃性之外，還具有危害很高的毒性，如CO、HF（氟化氫）等。不同體系的電池在熱失控時產生的氣體成分及占比如圖2 所示。

圖2 不同材料體系電池熱失控產氣占比（mol%）

可以看出，CO 和CO2占比很大。在熱失控時，CO 濃度最高可以達到250 ppm 以上，已經可以對人體產生嚴重的中毒危害。

HF 是一種刺激性有毒氣體，具有腐蝕性，在50 ppm 濃度下活動數分鐘便有致死的風險。而一節容量為20 Ah 的100%SOC 磷酸鐵鋰電池熱失控時，HF 最高濃度約為145 ppm，遠遠高于所規定的HF 安全濃度。而儲能電站一個集裝箱中，有成百上千節電池，熱失控時將會使得這些有毒有害氣體的濃度急劇增加，大大增加了人員操作和救援的危險性。

電化學儲能電站火災防控手段

針對電化學儲能電站火災的特點，可以從以下幾個方面進行有效防控。

優化電化學儲能電站設計

由于電化學儲能電站不同于傳統電站，因此，在規劃設計階段，應綜合考慮電站的選址、站區規劃和布置、儲能系統、電氣、采暖通風與空氣調節、消防等方面。如儲能電站的選址不應選擇位于城市中心或人員密集區域，甚至地下建筑內，防止儲能電站發生事故時給人員和建筑造成巨大的破壞。

同時還要設計好儲能電站的防火間距。當儲能電站發生火災時，火焰不斷擴大，甚至可能會蔓延至相鄰預制艙或者其他建筑物。因此在加強預制艙材料耐火等級的同時，增加預制艙與預制艙或者其他建筑物的防火間距，尤其與預制艙艙門正對的防火間距，防止火焰從預制艙躥出時對周邊預制艙的危害。

此外，儲能電站的消防設計應提供足夠的消防水源，并預留出足夠的消防車道，便于消防車輛的進出。

規范電化學儲能電站安全標準

由于電化學儲能技術處于快速發展階段，國內相關的安全標準存在不足，且一些標準要求的指標相對寬松，因此，需要規范電化學儲能電站的安全標準，根據儲能行業的發展，制定安全要求更加嚴格、保護性更強的安全標準，同時完善健全相關的行業標準。

如在保證電池本體安全要求的情況下，增加系統與各組件之間的功能安全評估與風險分析要求，同時，針對開展關于安全標準的認證工作，對產品作出明確的強制規定，進而保證儲能電站的安全。

完善電化學儲能電站安全管理體系

根據電化學儲能電站的特點，制定更加完善的電化學儲能電站安全管理體系。加強儲能電站電池、電池管理系統等相關產品或系統的質量管理，從本質上保證電站安全。

建立健全儲能電站安全監測和監督管理體系，對系統及組件進行嚴格的管理，同時加強對電站操作人員安全意識的專業培訓，完善相關安全規章制度，減少相關事故的發生。

提高電站消防應急管理水平，從電站消防的設計、建設、驗收、維護等方面進行嚴格的管理，同時做好相關的消防培訓，在對儲能電站火災進行滅火時，做好人員防護，防止電站爆炸造成巨大的人員傷亡和財產損失。

實現電化學儲能電站火災早期探測和預警

在電池火災前期，進行有效準確地探測并預警，采取相應的消防手段，防止火災的進一步蔓延。在安全閥打開前，應做好電池故障診斷工作，及早進行預警。當電池安全閥打開時，會產生大量的氣體和煙霧，如CO 的體積分數可以從2.4×10-6迅速增加至190×10-6。

此外，釋放氣體如CO2、CH4、揮發性有機化合物（VOC）等，在安全閥打開時都有明顯的增加，因此，可以通過相關的氣體傳感器，再配合煙霧傳感器、火災探測器、溫度傳感器等，根據電站電池的熱失控特性，設定相應的預警閾值，將多種特征參數進行耦合，當不同傳感器參數達到所設閾值時，發出警報，實現鋰離子電池火災早期探測和預警，并根據警報采取相應的控制措施，防止鋰離子電池火災的進一步擴大。

此外，應根據量程和靈敏度，選取適當的傳感器和探測器，同時設置冗余系統，保證電站火災早期探測和預警裝置的準確響應。

采用穩定可靠的滅火技術

鋰離子電池火災不同于其他典型火災的特點，增加了其滅火的困難程度，因此，需要使用清潔高效的滅火劑和滅火策略相結合進行滅火，同時滅火后及時排氣泄壓，防止火災事故的進一步擴大。

首先是清潔高效的滅火劑。目前，常用的滅火劑主要有二氧化碳、七氟丙烷、全氟己酮和細水霧等。二氧化碳和七氟丙烷的滅火和降溫效果均較差，且電池火焰熄滅后易發生復燃。全氟己酮的滅火效果好，但是其降溫效果不顯著。而細水霧降溫好，但是滅火效果不如全氟己酮，且對電池系統可造成二次傷害。因此，需要研究更加環保、對儲能電站適應性好、兼具滅火和降溫、抑制熱失控氣體爆炸、對電池損害小的清潔高效滅火劑。

然后是有效的滅火策略。由于目前的滅火劑都存在一定的缺陷和不足，因此需要使用有效的滅火策略，在保證自身優勢的前提下，彌補短板。

第一種是將滅火效果較好的滅火劑與降溫效果較好的滅火劑相結合。如使用全氟己酮和細水霧先后進行滅火，利用全氟己酮優良的滅火能力熄滅電池火焰，隨后利用細水霧的降溫能力，及時降低熱失控電池溫度和環境溫度，防止電池發生復燃和發生熱失控傳播。通過兩種滅火劑的協同作用，大大提高了滅火效率和降溫效率，有效阻止火災的進一步擴大。

第二種是通過間歇噴射滅火劑的方式對電池火災進行高效滅火降溫。以全氟己酮作為滅火劑，發生火災時，首先噴射大量的全氟己酮進行滅火，降低模組中可燃氣體的濃度。隨后根據溫度變化，多次少量的間歇噴射全氟己酮，進行有效降溫和維持模組中全氟己酮的滅火濃度，防止電池發生復燃，同時進行有效的降溫。

另有相關人員提出，將火災抑制膠囊置于電池內部來抑制熱失控，熄滅明火。抑制膠囊由全氟己酮、磷酸三甲酯和五氟丙烷組成。其中全氟己酮為滅火劑，磷酸三甲酯為阻燃劑，五氟丙烷為驅動劑。電池熱失控時，膠囊受熱破裂，驅動劑將抑制劑推向電池內部，在短時間內熄滅電池火，并抑制電池內部反應，進而抑制熱失控的進一步擴展，防止發生熱失控傳播、火災蔓延等事故。

最后是滅火后及時排氣泄壓。電池熱失控時，產生大量的可燃易爆氣體，當電池火焰被熄滅后，這些可燃易爆氣體仍積聚在電池模組或者預制艙內，因此需要在電池滅火后及時將這些可燃易爆氣體排出，降低模組或預制艙內的壓力和濃度，防止爆炸的發生。

對于電池模組，通過設置泄壓閥，當模組內部壓力過大時，泄壓閥開啟，將氣體釋放到預制艙中，進而降低模組內部壓力。對于預制艙，通過在預制艙設置排氣扇，將可燃氣體排出預制艙。此外，可以同步在模組或預制艙中釋放惰性氣體，降低可燃氣體濃度，防止氣體發生爆炸，抑制火災事故的進一步擴大。（本文作者單位系中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室）