鋰電池儲能電站火災風險分析與對策探討

賈 超，趙 霞，張 妍

(1.水電水利規劃設計總院，北京 100120；2.中國電子工程設計院有限公司，北京 100097)

0 引言

截至2020 年底，全球新增投運電化學儲能項目的裝機規模為4.7 GW，累計裝機規模為14.2 GW，其中，鋰離子電池的裝機規模最大，占比達92 %。鋰電池儲能憑借能量密度高、選址易等優勢蓬勃發展的同時，也面臨著不小的安全挑戰。近些年，國內外已發生多起儲能電站火災造成人員傷亡和經濟損失的事件，如2021 年揚州高郵因電池充滿后發生短路，殼體爆炸起火，導致儲能集裝箱燒毀；2021 年北京豐臺某光儲充一體化項目因電池發生內部短路故障，導致起火、爆炸、人員傷亡事件等。鋰電池儲能項目運營安全問題已經取代經濟問題成為制約其大規模應用的瓶頸。

1 鋰電池儲能電站火災特點分析

鋰電池主要由正負極材料、電解液、隔膜、集流體和外殼組成，正極是含鋰元素的化合物，主要為磷酸鐵鋰和三元鋰。鋰電池作為能量儲存體發生火災與普通火災不同，其本質是電池發生熱失控，引發內部發生電化學反應，產生了大量的熱和可燃氣體[1]。

1.1 熱失控機理

鋰電池的熱失控是指電池內部出現放熱連鎖反應引起電池溫升速率急劇變化的過熱現象。早期階段電池溫度升高到80 ～120 ℃時，負極表面的固體電解質界面膜(solid electrolyte interface，SEI)開始分解，負極失去保護后，溫度繼續升高，隔膜融化收縮，正負極之間相互接觸短路，引發持續放熱，進入電池鼓包階段，此時電池內部劇烈反應，產生大量的熱和可燃氣體；當達到鋁箔的熔點660 ℃時，鋁箔融化，大量可燃氣體噴出，電池處于陰燃狀態，開始釋放出大量的煙霧，遇氧氣可能會發生劇烈的燃燒或爆炸[2-4]。

1.2 燃燒特征

鋰電池的燃燒在SEI 膜、電解液、正極等發生分解反應后，其過程會大規模釋放熱量和氣體，具有以下顯著特征[5-6]。

(1) 燃燒激烈、熱蔓延迅速。SEI 膜分解生成的O2，鋰遇水發生劇烈反應后產生Li2O 和H2，均使燃燒更加劇烈。

(2) 容易復燃、滅火難度大。常規物理隔絕氧氣或切斷燃燒鏈的方法只適用于撲滅明火，無法從根本上撲滅鋰電池火災，鋰電池陰燃狀態下很容易復燃。

(3) 毒性很強、危險性大。電池燃燒會釋放出大量對人體有害的毒性氣體，其中PF5(五氟化磷)對皮膚、眼睛、粘膜有強烈刺激性，并在潮濕空氣中會劇烈水解產生有毒和腐蝕性的HF 煙霧。

(4) 燃燒過程復雜，共涉及A類(固體)、B類(液體)、C 類(氣體)、D 類(金 屬)、E 類(帶電)五種火災類型。

1.3 熱失控原因分析

鋰電池的熱失控是由各種濫用引發的[7]，包括機械濫用(如碰撞、擠壓、穿刺)、電濫用(如過充電、過放電、短路)和熱濫用(如局部過熱、火災)等，如圖1 所示。儲能電站除電池運輸、地震等不可抗力因素外發生機械濫用的可能性較小，僅需考慮電濫用和熱濫用，而熱濫用往往又是電濫用演變而來，是觸發熱失控的直接原因。

1.4 熱失控的鑒別

溫度變化是伴隨整個熱失控過程的，合理確定電池異常發熱及SEI 膜分解的溫度，對鑒別鋰電池如何開始失去熱穩定性至關重要[8]：熱失控發生前會出現電壓突變，利用電池的電壓、電流、內阻值等數值，通過電池的計算策略可實現熱失控的提前判斷；也可通過采集電池泄露的氣體，并對氣體成分及含量分析來進行熱失控的判斷。

2 鋰電池儲能電站火災管理現狀

(1) 消防標準不完善。GB 51048—2014《電化學儲能電站設計規范》對鋰電池火災認識不足，電化學儲能電站僅參考常規工業建筑進行消防設計，把鋰電池室的火災危險性分類定為戊類，沒有考慮到其作為能量載體的可燃性和熱失控的連鎖反應。

(2) 消防設計不合理。目前在運行的絕大多數鋰電池儲能電站未配置水消防系統，預制艙內也僅配置煙感、溫感報警及七氟丙烷氣體自動滅火 系 統。 美 國NFPA 855-2020《Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems》要求配備消防給水系統，且通風系統應能限制可燃氣體在最低爆炸極限的25 %以下，國內尚無相關要求。

(3) 消防理念欠缺。鋰電池火災的消防宣傳不夠，在電池熱失控的情況下，首先要保證人員的安全，再盡量去隔離電池設備，NFPA 855-2020 要求為消防員配備防爆設備。

圖1 熱失控引發原因

3 新建電站的應對措施

3.1 電站設計

鋰電池儲能電站選址應避免人員密集的地區，嚴禁選擇在地下、半地下區域。在條件允許的情況下設置室外消火栓，室內電池組之間宜用防火墻分隔。室外預制艙的間距按長邊不低于3 m，短邊不低于4 m 設計，用地緊張的可考慮用防火墻分隔，儲能場站設計環形的消防車道。

3.2 電池材料選擇

(1) 改善電池的正負極材料。鋰離子正極材料可以通過表面包覆來延遲或者減少引起熱失控的副反應，比如用AlPO4(磷酸鋁)包覆正極材料可以抑制電池過充時的副反應，包覆ZrO2(二氧化鋯)和AlF3(氟化鋁)等能夠同時提高電池的循環性和熱穩定性；電池的負極可選用Li4Ti5O12(鈦酸鋰)的插層材料和鋰合金材料，在提高電池性能的同時還能改善電池的熱穩定性。

(2) 改善電池的電解液。電解質中添加阻燃添加劑，阻燃劑能直接降低電解液的易燃性。全固態鋰離子電池采用非可燃性固態電解質，將會徹底解決電池電解液產生枝晶、腐蝕、泄露、易燃、副反應多的安全問題[9]。

(3) 改善電池的隔膜。為提高隔膜的熱穩定性和機械強度，可采用增加陶瓷涂層[10]和多層隔膜設計[11]。

3.3 電池管理系統

控制火災的關鍵在于及時發現并鑒別熱失控，針對不同電池制定電池熱失控識別方法及判定策略，并與電池管理系統(BMS)聯動，以在熱失控前期階段發現即將失控的電池，并迅速隔離。主流廠家BMS 對電池模塊的溫度采樣點一般不少于4個，目前新裝電站普遍采用大電芯方案，為每個電芯加裝測溫電阻成為可能。

3.4 預制艙設計

預制艙的設計宜采用非步入式方案，在箱體長邊開門，杜絕人員進入艙體的可能性，保證調試、運行、消防人員安全；預制艙內加裝可燃氣體報警裝置(尤其是氫氣報警器)、排風泄壓裝置、注水孔和放電通道等設施，并與BMS、消防系統聯動，實現火災快速發現并處置。

3.5 消防介質選擇

根據滅火劑的物理狀態，可將用于鋰電池消防的滅火劑分為氣體滅火劑、水及水基滅火劑、泡沫滅火劑、固體滅火劑、特殊滅火劑等[12]。

(1) 氣體滅火劑選擇。氣體滅火劑對撲滅鋰電池火災明火較為有效，但對電池的冷卻能力差，需要持續的噴射才能有效地抑制鋰電池的復燃[13]，目前美國的電化學儲能電站普遍采用了冷卻性能更好的全氟己酮氣體加水消防的滅火方式。

(2) 水及水基滅火劑選擇。細水霧具有用量小、低成本、環保、低電導率等特點，國外已針對性開發了名為EDU 的便攜式細水霧滅火器，用來預防國際空間站儲能電池火災，同時為提高細水霧的滅火能力，通過混合添加劑(如表面活性劑F500、全氟己酮等)來抑制燃燒鏈反應，增強滅火性能。

(3) 泡沫滅火劑選擇。泡沫滅火劑因其低成本、低污染、滅火效果好的優點廣泛用于A，B 類火災。水成膜泡沫(AFFF)滅火劑可以撲滅鋰電池火災的明火，但容易再次復燃。

(4) 固體滅火劑選擇。固體滅火劑主要指干粉滅火劑，ABC (磷酸銨鹽)干粉滅火劑對溫度控制效果不佳，僅可用于單個電池撲滅明火，也能有效防止磷酸鐵鋰電池的復燃，但對鈷酸鋰電池防復燃效果不佳。

(5) 特殊滅火劑選擇。蛭石水溶劑(aqueous vermiculite dispersion，AVD)是一種蛭石粉的水分散體滅火劑，電池冷卻表現優異，同時在氣、液、固三態轉化過程中能吸收大量的有毒煙霧，對環境友好[14]。

基于鋰電池火災的獨特性，新建的儲能電站應根據所處環境，消防用水、冷卻方式、隔離條件、事故應急等因素，綜合滅火效能、運營維護等選擇適用于電站自身的滅火劑。

3.6 消防驗收與應急配置

建設單位應按照屬地政府部門的管理要求開展儲能電站消防設計審查及驗收工作，消防驗收或檢測合格后方可運行。

消防應急配置參考相應的國家標準執行，但不建議配置正壓式呼吸器。正壓式呼吸器穿戴復雜，是供專業救護人員使用的，電站運行人員培訓和使用機會不多，且發生鋰電池火災，不建議人員貿然沖入火場救火，而是做好斷電隔離等措施，等待專業救援，確保人員安全。

4 已建電站的改造

目前，已建的儲能電站大多采用單一的七氟丙烷氣體滅火系統，其對撲滅電氣明火有一定作用，但在防止電池復燃上有欠缺。建議再增加一套采用細水霧、全氟己酮或其他新型滅火劑的自動滅火系統防止電池復燃，及在電池室或電池艙內增加可燃氣體報警裝置、排風裝置和泄壓裝置，并與BMS聯動控制。

加強防火應急預案的修訂與演練工作，堅持生命至上的原則，在確保安全的情況下實施滅火。做好儲能電站的火災情景構建、電池隔離計劃、逃生路線選擇等工作。

5 結束語

針對鋰電池儲能電站的運行安全風險，建議統一建立電化學儲能安全應急平臺，采集各儲能電站的關鍵運行數據，利用大數據和相關偵測技術，及時全面反映各電站的運行情況。建立儲能電站事故數據庫，全面了解各儲能電站的事故情況，分析原因，舉一反三防止類似事故再次發生。

貫徹“預防為主，防消結合”的消防方針，把火災事故控制在源頭。隨著科技的不斷進步，電芯安全技術、熱失控的鑒別技術、鋰電池火災的識別技術、高效滅火劑的研發不斷得到突破，鋰電池的火災風險不斷降低，電化學儲能向著高密度、集約化、模塊化不斷發展，大規模電能存儲將成為可能，對調整供電結構，優化能源配置做出貢獻。