储能电池热失控的有效预防措施研究

文玉良　严若红　戴智特　邹华春　冷明全

摘要：通过对动力电池和储能电池之间的热设计差异进行逐一分析，得出了针对动力电池及储能电池内部不同的散热结构应当采取差异化的预防措施。参照我国近期发生的几起储能电池热失控事故的具体成因，结合新能源汽车的防火设计理念，提出了动力电池采用分级阻燃的防火措施，并提出了将气凝胶阻燃材料与细水雾固定消防设施有机结合的设计思路，以期最大限度降低储能电站内部的实际火灾风险。

关键词：储能电池；动力电池；热失控；气凝胶；细水雾

中图分类号：X9       文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2022）11-0053-04

当前，大力推动新能源的广泛使用是我国实现碳达峰、碳中和目标的有效手段。以风电和太阳能为代表的新能源发电由于具有不同程度的间歇性、波动性，给电网实际运行过程中的稳定性造成了严重的影响。电池储能技术具备快速的双向灵活调节能力，能够有效平抑风力发电的功率波动，及时解决新能源发电的并网问题[1]。因此大力推广电池储能可以有效推动新能源发电的并网，目前国际国内也在大力推广电池储能。根据我国相关机构对于电池储能的相关统计，截至2020年底，全球电池储能以锂电池为主的装机规模累计达到14.2GW，而我国的装机规模总量累计3.27GW，预计到2025年，我国电池储能装机规模将超过24 GW[2-3]。

近年来随着电池储能的快速发展，世界各国电池储能电站内部发生的各类安全事故逐渐呈现高发态势。仅2017—2019年期间，韩国300多个储能电站中各类安全事故已接近30起[4-5]。2021年4月16日，北京市丰台区一储能电站发生火灾，处置过程中共造成2名消防员牺牲、1名消防员受伤以及1名电站员工失联[6]。由于锂电池火灾发生后，处置难度大、作业时间长且处置过程中通常伴随有大量有毒气体产生，因此，储能电池安全事故逐渐引起了各国人民的广泛关注。

相比于储能电池，新能源电动汽车对于热失控的被动防范要严格得多。新能源电动汽车内部的车载电池更多采用隔热材料分级阻燃来有效延缓或阻断单体电芯的热失控现象。因此，有学者建议，面对储能电厂的安全事故，参考新能源电动汽车采用阻燃隔热材料分级阻燃来降低消防损失。王莉等人提议运用阻燃材料降低储能电站的火灾风险和火灾范围[7]。高飞等利用阻燃材料防止锂离子电池组热失控[8]。这些文献预示着隔热材料在储能电池中的发展。储能电站中，消防是最后一道防线，水是最为廉价和有效的消防措施。蔡兴初等依据储能电站电池舱设备布置的特点，进行了储能电站磷酸铁锂电池模组细水雾灭火试验[9]。本文参考了电动汽车的消防设计方案，分析了动力电池中采用的阻燃材料和消防设计思路，提出在储能电站采用阻燃材料与细水雾自动灭火系统方案，分级阻燃来降低储能电站的火灾风险和火灾范围。阻燃隔热材料能起到隔绝氧气保护未着火的电池，细水雾降低表面隔热材料表面温度，有效防止热量迅速传播的作用，阻止着火电池簇火势蔓延到其他电池簇，在发生火灾时保证结构的稳定，不会出现大面积烧毁同时也为人员逃生争取更多时间。

1 电动汽车电池和储能电池的防热失控设计

1.1  电动汽车电池防热失控设计

電池防热失控设计是产品的热设计，也包含了产品的消防设计。电动汽车采用分级阻燃来防止热失控的设计，如图1所示。汽车电池一般通过集成电芯构成电池模组到形成电池簇，其中会涉及加热、隔热、冷却设计[10]。电芯设计中采用耐温阻燃设计，包括正极材料、负极材料、电解液等材料的耐温阻燃性设计。在形成电池模组中，电芯间采用了阻燃隔热垫，同时成组后采用了空气冷却、液体冷却、相变冷却等各种冷却方式。在电池簇间一般采用阻燃设计，以便一簇电池着火时其他簇电池还能正常工作，也方便及时扑灭或隔离着火电池簇。汽车电池本身与车身其他部件都有阻燃隔热的功能，这样即使某个电池着火，也不至于引燃其他部件，可以给逃生留下时间。GB18384—2020《电动汽车安全要求》要求电池单体发生热失控后，电池系统在5 min内不起火不爆炸，为乘员预留安全逃生时间。

1.2  储能电池防热失控设计

储能电站的电池主要用于调峰调频、平抑新能源发电波动、作为应急电源和提高供电可靠性等。一般为静止放置，所以其电池不像新能源汽车那样具有碰撞的危险。储能电池芯与新能源汽车电池芯基本相似，但是二者成模组和成簇的设计理念不同，储能电池成组的防止热失控设计原理如图2所示。储能电池在电池模组和电池成簇方面追求的是循环充电次数，因此着眼于散热设计，隔热设计较少，这是其与新能源汽车动力电池的根本区别。储能电池通常通过电池热设计和研究火灾早期特性来控制电池热失控蔓延，即将热失控控制在萌芽或早期状态。从目前已经发生事故的储能电站资料显示，储能电池防止热失控的事故量较大，如若处理不好，影响甚大[11]。

1.3  防止电池热失控的消防研究

根据图1和图2电动汽车电池和储能电池的防止热失控设计原理来看，二者防止热失控的最后一道防线是消防预警设计。

在电动汽车电池中，阻燃隔热材料起着抑制或延缓火势蔓延的作用。新能源汽车动力电池包失效导致起火时，通过在电芯间增加隔热材料，可延缓电芯之间的热失控。GB38031—2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》明确了5min预警时间，即要求电池热失控后5min内不起火不爆炸，并要求将温度事故报警信号提供给驾乘人员，在储能电池中，目前还没有具体的储能电站要求的预警时间。

储能电站中对消防响应时间目前还没有自己的标准，通常参考其他消防标准。根据GB50219—2014《水喷雾灭火系统技术规范》规定，部分消防系统的响应时间[12]如表1所示。根据国家标准，水喷雾灭火系统响应时间不应大于60s，液化烃或类似液体储罐、甲、乙类液体及可燃气体生产、输送、装卸设施的防护冷却响应时间不应大于120s，甲、乙、丙类液体储罐防护冷却系统响应时间不应大于300s。这意味着，300s内消防人员无法到达现场，只能依靠自身或自动灭火装置。

储能电站标准 GB51048《电化学储能电站设计规范》借鉴《火力发电厂与变电站设计防火规范》《火灾自动报警系统设计规范》等行业标准，即将锂电池安放位置与其他设备间单独隔离分开，并设有专门的烟感、温感、光感等探测器，并且可以根据不同锂电池的特性，有针对性地增设相应气体探测器[9]。从上述标准来看，储能电站的标准只是满足消防响应时间，没有对不起火不爆炸的热失控后的时间做出明确规定，没有明确人员逃生时间。

2 防止电池热失控的隔热材料

2.1  气凝胶隔热材料

新能源电动汽车电池组一般采用了多种隔热材料，常规有泡棉、隔热棉和气凝胶等。目前国内的电动汽车动力电池组一般采用气凝胶，主要有预氧丝气凝胶毡、陶瓷纤维气凝胶毡、玻璃纤维气凝胶毡等[13]。

图3为气凝胶阻燃实验照片。将样品固定，竖直放置，用丁烷喷枪朝样品中心位置800℃持续灼烧至烧穿。实验表明，0.7mm厚度气凝胶隔热垫满足800℃高温火焰冲击5min内不被烧穿，可以满足电动汽车国家标准要求的5min预警时间，便于人员逃生机会。由于目前气凝胶成本较高，虽然作为隔热材料在汽车电池中可以使用，但是在以梯次电价生存的储能电池组中较难推广，目前还没有储能电池用到气凝胶隔热垫。

2.2  隔热材料在储能电站中的应用

电池舱细水雾灭火系统对于电池仓起着很好的消防保护作用。蔡兴初[9]等介绍了电池舱细水雾灭火系统（布置示意图如图4所示），并在储能站设１套局部应用方式的开式细水雾灭火系统，以每座电池舱为一个防护区，配１套泵组，进行了灭火试验。

本文根据上述布置采用隔热棉毡辅助细水雾实行分级消防设计，在每一个电池模组上方装有隔热棉毡释放设备，如图5所示。隔热棉毡主要采用气凝胶或其他隔热材料，外用防火布包覆。分级消防设计分为：常规模式、预警模式、应急模式和消防模式等四个层级。此方案可以通过实验来确定各个模式的大致时间，从预警模式到消防模式可以超过电动汽车的人员逃生时间5min。

常规模式，隔热棉毡置于电池簇上方处于备用状态，这样有利于电池簇散热。

预警模式，当电池管理系统（BMS）根据电池模组的故障数据，判定为热失控，首先释放出隔热棉毡，隔热棉毡将对电池模组进行保护，并启动预警装置，观察隔热棉毡表面温度变化，便于检查事故状况，同时，启动细水雾灭火系统处于待发状态。

应急模式，当失控电池簇的隔热棉表面温度逐步上升，超过100℃，处于应急状态，释放其他电池簇的隔热棉毡，开启该失控电池簇的细水雾灭火系统喷洒细水雾，使得失控电池簇隔热面表面温度不高于100℃。

消防模式，如果失控电池簇的隔热棉毡受到破坏，为防止燃烧蔓延到其他电池模组，开启消防模式，全面喷射细水雾，使得仓内温度不高于100℃，这样即使出了消防事故其他电池模组也不会损坏，也可以保障储能电站的预警时间。

3 结语

本文分析了动力电池和储能电池的防止电池热失控设计机理，进行了防止电池热失控的消防研究，研究表明，动力电池热标准中要求在电池热失控后5min內不起火不爆炸，在储能电池中没有明确要求。为了促进储能电池的健康发展，本文借鉴电动汽车电池设计的思路，提出了动力电池采用分级阻燃的防火措施，并提出了将气凝胶等阻燃材料与细水雾固定消防设施有机结合的设计思路，以期最大限度降低储能电站内部的实际火灾风险。

参考文献：

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[8]高飞，杨凯，王康康，等.阻燃材料防止锂离子电池组热失控连锁反应研究[J].合成材料老化与应用，2018，47（5）：51-54.

[9]蔡兴初，朱一鸣，陈彬，等.锂电池储能电站消防灭火设施研究与设计[J].给水排水，2021，47（6）：110-115.

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[11]田甜.储能冰点[J].能源，2020（Z1）：31-36.

[12]姚泽胜.石油化工装置火灾性能化评估技术研究[D].成都：西南石油大学，2018.

[13]宋一龙，赵芳，李志尊，等.纤维隔热材料研究进展[J].化工新型材料，2021，49（4）：62-66.

Study on effective preventive measures

against thermal runaway of energy storage battery

Wen Yuliang Yan Ruohong Dai Zhite Zou Huachun Leng Mingquan

（1.Dongguan Guixiang Insulation Material Co.， Ltd，Guangdong Dongguan 523878；2.Dongguan Fire and Rescue Brigade Wangniudun Detachment，Guangdong Dongguan 523200）

Abstract：By analyzing the differences in thermal design between power battery and energy storage battery one by one， it is concluded that differentiated preventive measures should be taken for different heat dissipation structures in power battery and energy storage battery. Referring to the specific causes of several thermal runaway accidents of energy storage batteries in recent years in China， combined with the fire prevention design concept of new energy vehicles， the fire prevention measures of graded flame retardancy for power batteries are proposed， and the design idea of organically combining aerogel flame retardant materials with water mist fixed fire protection facilities is proposed， in order to minimize the actual fire risk inside the energy storage power station.

Keywords：energy storage battery; Power battery; Thermal runaway; Aerogel; Water mist