锂离子电池储能系统火灾防控技术

陆梦羽，杨宝珠，李 争，李洪广，韦文贤

(中车大连机车研究所有限公司，辽宁 大连 116021)

0 引言

随着国内储能市场的飞速发展，锂离子储能系统的安全越来越受到关注。锂离子电池的热保障技术、火灾防控技术是保证储能系统安全、高效运行的关键。自《可再生能源发展指导目录》颁布以来，我国储能产业已发展十几年之久。2018年，在电网侧储能大规模投运以及锂电池成本持续下降背景下形成了产业爆发，业内称之为储能元年。截至2020 年9 月底，全球已投运储能项目累计装机规模186.1 GW，同比增长2.2 %。其中在电化学储能中，锂离子电池累计装机规模达到9 881.19 MW，装机占比达到90 %。锂离子电池储能是储能领域最具应用前景的技术之一，锂离子电池具有高工作电压、高能量密度、高比容、长循环寿命、响应速度快等优点，使其成为储能电站的首选[1]。但由于其独特的化学性质与储能特性，当其在过热、过充、短路、刺穿或老化、挤压等条件下会发生热失控、破裂、起火甚至爆炸等情况[2]。

2011 年日本连续烧掉两座电池储能电站；2017年3 月山西某火力发电厂储能系统发生火灾[3]；从2017 年8 月韩国高昌发生的第一次火灾算起，截至2019 年10 月韩国发生了27 起ESS 火灾事故；2018 年9 月江苏扬中市侧储能磷酸铁锂离子电池集装箱起火烧毁；2019 年6 月北京某酒店储能系统失火；2020-09-15 丹麦能源开发商φrsted 位于英国利物浦卡耐基路的储能项目发生火灾事故。多次重大事故的发生凸显出提升储能系统火灾防控技术水平的重要性。

1 锂离子电池储能系统火灾危险性分析

1.1 锂离子电池火灾危险性分析——本质安全

锂离子电池是一类由锂离子在正负极之间往复运动进行充放电的二次电池。其可选的正极材料众多，市面上最常见的材料有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂以及三元锂。大量数据发现，锂离子电池的火灾主要是由于其结构破坏导致隔膜破裂、崩溃、刺破，使锂离子电池内部正负极发生短路导致热失控，进而导致电极、电解液分解、蒸发生成电解液蒸汽及其他可燃气体，一旦热量大量积聚时，极容易发生燃烧乃至爆炸(见图1）。由于锂离子电池正极材料的特殊析氧、析氢反应，扑救锂离子电池火灾难度较大；李毅等还发现电池组中的单只锂离子电池燃烧后可引燃相邻电池，形成连锁燃烧反应[4]。通过研究锂离子电池火灾的发生机制，改善锂离子电池材料安全性，改变生产制造工艺，是提升锂离子电池本质安全、降低锂离子电池火灾危险性的主要途径。

图1 锂离子电池火灾发生原因

1.2 电气设备火灾危险性分析——使用安全

锂离子电池储能系统所配备的大量电气设备(PCS、空调、风机、配电柜、监控柜等)是储能系统消防往往忽略的区域。调查发现，我国发生的各大火灾事故中，半数以上都属于电气火灾[5]，然而原本小范围的电气火灾，却会诱发更严重的锂离子电池火灾。储能电池虽然较动力电池工作环境更优越、充放电倍率更低，但是却拥有着动力电池几倍乃至几十倍的存储电量。储能系统电气设备的超负荷运转、保护元件失效、接线松动、设备老化等原因引起的过热、短路、电火花、电弧现象屡见不鲜。

锂离子电池储能系统虽然具备了电池管理系统（battery management system，BMS），在一定程度上大幅优化了充放电性能，但却不具备预测超早期火灾的能力，很难配合自动灭火设备进行早期干预。目前储能BMS 系统与消防换热系统相对独立，无法充分发挥灭火系统的灭火能力。

2 锂离子电池储能系统安全相关标准

锂离子电池储能系统经过多年发展，针对储能系统安全的标准体系也在逐渐完善。沉痛的火灾教训使得各个国家的标准化机构将储能系统安全的标准体系建立作为重要的工作之一，但大多数规范仍处于制定和摸索中。表1 是全球范围内针对锂离子储能系统安全发布的部分相关标准。

表1 现有锂离子电池储能系统相关标准

国际电工组织(IEC)在2012 年成立了储能技术委员会，其发布的IEC 62933 着重考虑储能设备环境与储能系统的电气安全。美国FM 联合保险商协会、美国UL 保险商实验室、美国消防协会分别在2017，2018，2019 先后发布UL 9540，FMDS 5-33，NFPA 855-2020 等标准。其中NFPA 855-2020 是国际上新发布的最全面的储能系统安装的防火标准，该标准包含了储能系统所使用的储能技术，包括安装设置、系统大小、隔离方式以及灭火和控制系统的要求等。澳大利亚2019 年发布的AS/NZS 5139-2019 填补了用户侧储能的安全标准，确保了用户侧储能系统的安全性、一致性与可靠性。2017 年以来我国陆续发布了一系列以电池、组件、安装环境、运行维护、回收等层级路线的规范，但是现有的GB 51048—2014《电化学储能电站设计规范》对于储能系统的火灾危险性认识不足，导致现有的储能系统消防的设计、安装、运行、管理无据可依[6]。

3 锂离子电池储能系统消防现状

3.1 缺乏专用于锂离子电池储能系统灭火剂

锂离子电池火灾与普通火灾具有较大的区别，锂离子电池本身就是一类含能物质，其具有燃烧激烈与热蔓延迅速的特点，燃烧时毒性强、烟尘大，灭火后易复燃、扑救难度大。面对以上特征，仅使用现有的普通灭火剂很难有效解决储能锂离子电池的火灾隐患。锂离子电池热失控后可自发燃烧，自身提供燃烧物、助燃物、热量，形成火三角，发生爆燃。因此要求锂离子电池火灾灭火剂既能快速扑灭明火，又能拥有快速降温的能力，否则锂离子电池火灾将极易复燃。

表2 总结了不同类型灭火剂对锂离子电池火灾的抑制情况、灭火机理，并对其优缺点进行分析比较。可通过以下手段有效解决锂离子电池火灾事故的发生。

表2 不同类型灭火剂对锂离子电池火灾的抑制

(1) 开发专用于锂离子电池火灾的新型灭火剂(难度很大)。

(2) 充分利用现有灭火剂优点，将气液结合使用，从而达到灭火与持续降温的效果。

(3) 深入探究热失控机理，极早期发现热失控点，精准并能持续喷放灭火剂，将火灾抑制在萌芽状态。

3.2 现有锂离子电池储能系统消防系统效果

由于储能系统消防安全规范的缺失，使得目前储能消防处于一种“有但未必有用”的境况。2020年1 月，我国电池储能平均成本2.549 元/kWh，同年3 月我国电池储能平均成本1.643 元/kWh，一个季度降低近三成。专家预测市场为了追求利益可能会采用更加低廉的设备，这将诱导发生产品质量安全风险，此背景下储能消防面临更加不利的境况，这同样是导致储能消防设施可靠性差的根本原因。设计储能系统消防时，必须着重考虑有效阻隔电池系统的火灾蔓延，实现快速降温和使用高效灭火介质，与此同时灭火介质的多次释放可防止火灾复燃。在现有大空间浸没式灭火的基础上将焦点聚集到电池簇、电池包上，集成一套专用于储能消防设施，既能持续有效扑救锂离子电池火灾，又不漏掉电气设备火灾的消防系统。实现探测设备、BMS、视频监控设施的多方位、高精度、多物理量的预警与灵活的灭火设备的协同作用。

4 锂离子电池储能系统火灾防控设计思路

4.1 电池设计与电池集装箱系统集成的设计

锂离子电池系统使用锂离子电池作为基本单元，其可分为电池单体、模组、电池包和系统四个层级。对于电池单体(电芯)，电池热失控过程主要为固体电解质界面膜与隔膜分解、电池正负极短路、电解质溶液反应、电极溶解并产生热四个过程。平平提出针对上述过程可通过降低电池内电解液的含量，提高电解液与SEI 的热稳定性、降低电解液与正负极材料的热反应活性来抑制。

储能系统主要由电池、电池管理系统(BMS)、储能变流器(PCS)和能量管理系统(EMS)四大块集成。电池系统集成处理应充分考虑其消防安全性能：电池结构设计、热管理设计、机械应力设计、电池的一致性设计等。

在充分考虑电池的散热与防火的基础上，优化电池结构设计。不应过度追求密度，而忽略热管理系统系统的的重要性。在电池一致性方面，通常通过优化电池工艺、使用电池均衡器进行干预、改变电池组的连接方式解决。

4.2 消防预警、联动与灭火系统设计

消防预警应当通过以下两方面来解决。

(1) 通过BMS 获取电池的温度、电压、电阻等参数用以判断电池工作状态，能够极早期地判断热失控。

(2) 深入研究锂离子电池热失控特性及相应的探测设备。由于锂离子电池热失控时会产生大量特征性气体(例如：氢气、一氧化碳、烷烃类气体)，故可将气体探测作为锂离子电池火灾探测的指标。

消防预警可靠性关系到储能电站消防系统的有效性，可采用多物理量复合的探测设备，设计具有多级预警和防护能力的火灾防控系统。储能系统的消防设计应当综合考虑灭火与降温的协同作用，即具备灭火与快速降温的特性才可以有效扑灭锂离子电池火灾。

5 结束语

锂离子电池储能系统是可再生能源的重要组成部分，它将在发电侧、输电侧、用户侧发挥重要作用。为使储能系统长期、健康地发展，应当从电池的本质安全、使用过程安全、消防系统安全考虑，构筑起锂离子电池储能系统的安全防线。在储能消防安全相关标准与规范发布之前，储能消防安全仍任重道远。