儲(chǔ)能系統(tǒng)/電站的安全事故，往往都是由于在預(yù)警缺失或滯后的情況下，電池自身熱失控或是其他外部因素導(dǎo)致電池起火而引發(fā)的，由于缺乏有效的安全防護(hù)措施，電池的初期火災(zāi)迅速蔓延，而現(xiàn)有的消防措施并非是針對(duì)電池火災(zāi)而配置的，因此，電池初期火災(zāi)無(wú)法得到有效抑制，最終演變?yōu)榇笠?guī)模火災(zāi)，導(dǎo)致整個(gè)儲(chǔ)能集裝箱或儲(chǔ)能電站燒毀。

——中國(guó)電力科學(xué)研究院儲(chǔ)能與電工新技術(shù)研究所儲(chǔ)能電池本體技術(shù)研究室主任楊凱

8月7日-8日由華北電力大學(xué)、中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)主辦的“第一屆中國(guó)儲(chǔ)能學(xué)術(shù)論壇暨風(fēng)光儲(chǔ)創(chuàng)新技術(shù)大會(huì)”在北京召開，北極星儲(chǔ)能網(wǎng)對(duì)論壇進(jìn)行全程直播。

在8日“儲(chǔ)能材料和安全”分論壇上，中國(guó)電力科學(xué)研究院儲(chǔ)能與電工新技術(shù)研究所儲(chǔ)能電池本體技術(shù)研究室主任楊凱作了題為《電力儲(chǔ)能中的安全問(wèn)題及應(yīng)對(duì)技術(shù)》的主題報(bào)告。

以下為發(fā)言實(shí)錄：

中國(guó)電力科學(xué)研究院儲(chǔ)能與電工新技術(shù)研究所儲(chǔ)能電池本體技術(shù)研究室主任楊凱：大家好！我今天跟大家報(bào)告的題目是《電力儲(chǔ)能中的安全問(wèn)題及應(yīng)對(duì)技術(shù)》。我分四部分和大家交流，先看電力儲(chǔ)能的安全問(wèn)題。目前對(duì)電力儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)，可以說(shuō)電力儲(chǔ)能的載體有很多，形式有很多。在這些形式當(dāng)中，電化學(xué)儲(chǔ)能目前占了比較大的比重。在電化學(xué)儲(chǔ)能當(dāng)中，鋰離子電池的比重逐年增加，到2018年年底的時(shí)候已經(jīng)達(dá)到了86%。

近兩年，隨著各地鋰離子電池儲(chǔ)能電站的大量建設(shè)，儲(chǔ)能電站的安全問(wèn)題開始逐漸地凸現(xiàn)出來(lái)。從現(xiàn)在來(lái)看，2017年至今，韓國(guó)發(fā)生23起事故，我們國(guó)家公開報(bào)道3起。儲(chǔ)能系統(tǒng)電池串并聯(lián)數(shù)量多、規(guī)模大, 安全風(fēng)險(xiǎn)和影響比電動(dòng)汽車動(dòng)力電池更加嚴(yán)重。

2017年3月7號(hào)，山西某火力發(fā)電廠儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助機(jī)組AGC 調(diào)頻項(xiàng)目發(fā)生火災(zāi)，2017年12月22日，山西某電廠9MW調(diào)頻項(xiàng)目2號(hào)儲(chǔ)能集裝箱柜發(fā)生火災(zāi)。兩次事故以后，山西省公安消防總隊(duì)向全省發(fā)出通報(bào)消防，加強(qiáng)儲(chǔ)能電站火災(zāi)防范工作，同時(shí)，也對(duì)火災(zāi)進(jìn)行了調(diào)查與認(rèn)定。2018年8月3日，江蘇揚(yáng)中某用戶側(cè)磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi)，一個(gè)儲(chǔ)能集裝箱整體燒毀。

韓國(guó)近兩年發(fā)生了23起儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故，今年6月11號(hào)，韓國(guó)政府公布了23起儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故調(diào)查結(jié)果，認(rèn)為是四方面的原因，分別是：電擊保護(hù)系統(tǒng)不良；運(yùn)營(yíng)操作環(huán)境管理不善；安裝疏忽；儲(chǔ)能系統(tǒng)集成控制（EMS，PCS）保護(hù)系統(tǒng)管理不善。

今年4月，美國(guó)亞利桑那州McMicken變電站的電網(wǎng)側(cè)鋰離子電池儲(chǔ)能設(shè)備發(fā)生火災(zāi)，4名消防人員受到化學(xué)物質(zhì)傷害、外傷以及燙傷等傷害。

通過(guò)上面這些國(guó)內(nèi)外近兩年發(fā)生的儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故，可以看出，儲(chǔ)能系統(tǒng)/電站的安全事故，往往都是由于在預(yù)警缺失或滯后的情況下，電池自身熱失控或是其他外部因素導(dǎo)致電池起火而引發(fā)的，由于缺乏有效的安全防護(hù)措施，電池的初期火災(zāi)迅速蔓延，而現(xiàn)有的消防措施并非是針對(duì)電池火災(zāi)而配置的，因此，電池初期火災(zāi)無(wú)法得到有效抑制，最終演變?yōu)榇笠?guī)?；馂?zāi)，導(dǎo)致整個(gè)儲(chǔ)能集裝箱或儲(chǔ)能電站燒毀。

下面我們來(lái)看一下電池安全問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源，主要來(lái)源有三方面，一是電激源，包括過(guò)充、過(guò)放等濫用情況。二是熱激源，包括在高溫下使用，或其他組件燃燒將電池烤爆等當(dāng)，再有溫度比較高的情況下還在使用或者說(shuō)其它的一些部件燃燒把電池弄著了。三是機(jī)械激源，包括振動(dòng)、擠壓等等，機(jī)械激源在電動(dòng)汽車上較為常見，在儲(chǔ)能電站中幾乎沒(méi)有。

對(duì)于鋰離子電池安全問(wèn)題的觸發(fā)機(jī)制，這方面的文獻(xiàn)非常多了，在這里就不詳述了，簡(jiǎn)單說(shuō)，就是在鋰離子電池中，除了正常的充電-放電反應(yīng)外，還存在許多潛在的放熱副反應(yīng)，當(dāng)異常情況發(fā)生時(shí)，這些放熱副反應(yīng)易被引發(fā)，最終導(dǎo)致電池?zé)崾Э亍?/p>

下面我們來(lái)看一下電池安全問(wèn)題的應(yīng)對(duì)措施。從電力儲(chǔ)能的整體安全來(lái)講，包括三個(gè)大的方面，一是電池生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的安全，包括電池材料和生產(chǎn)工藝控制，二是電池應(yīng)用環(huán)節(jié)的安全，包括預(yù)警、防護(hù)和消防，這個(gè)話題一會(huì)我會(huì)詳細(xì)再說(shuō)。三是配套設(shè)施的安全設(shè)計(jì)，包括電站設(shè)計(jì)等方面。今天我重點(diǎn)講電池應(yīng)用環(huán)節(jié)的安全。在講這個(gè)之前，我們先看幾點(diǎn)對(duì)于鋰離子電池安全性的共識(shí)。第一點(diǎn)共識(shí)，磷酸鐵鋰電池理論上并不絕對(duì)安全，從剛才我們分析的電池安全問(wèn)題的觸發(fā)機(jī)制，我們可以看出，磷酸鐵鋰電池的安全性較三元電池相比，確實(shí)會(huì)好一些，但只是相對(duì)安全，不是絕對(duì)安全的。第二點(diǎn)共識(shí)，通過(guò)安全性檢測(cè)的產(chǎn)品并不代表使用過(guò)程中不需要安全防護(hù)，因?yàn)殡姵匕踩允且粋€(gè)幾率問(wèn)題，電池檢測(cè)是抽檢，不是全檢，電池檢測(cè)的數(shù)量不足以暴露安全性問(wèn)題，一個(gè)儲(chǔ)能電站有幾萬(wàn)甚至十幾萬(wàn)個(gè)單體電池，其中肯定會(huì)有存在安全隱患的電池，而僅僅依靠電池檢測(cè)，是不足以發(fā)現(xiàn)這些電池的。另外，現(xiàn)有的電池檢測(cè)都是針對(duì)新電池的，而電池發(fā)生安全問(wèn)題又往往是在使用過(guò)一定時(shí)間以后，因此，對(duì)于應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的安全問(wèn)題，電池檢測(cè)是無(wú)法發(fā)現(xiàn)的。第三點(diǎn)共識(shí)，電池的初期火災(zāi)一旦蔓延并形成大規(guī)?；馂?zāi)，現(xiàn)有消防措施均無(wú)法有效撲滅，對(duì)于初期火災(zāi)必須采用快速感知，定向精準(zhǔn)滅火的策略，迅速滅火，并采取措施長(zhǎng)時(shí)間抑制電池復(fù)燃。另外，消防設(shè)施應(yīng)該在儲(chǔ)能裝置安裝的同時(shí)同步配置，后期采取消防補(bǔ)救措施，不僅難度大，應(yīng)用效果也大打折扣！第四點(diǎn)共識(shí)，就是電池安全性問(wèn)題“可治可防”，但單純的電池生產(chǎn)工藝控制無(wú)法解決，必須發(fā)展電池應(yīng)用過(guò)程的多級(jí)安全防控體系，保障電池使用過(guò)程中的安全性！多級(jí)安全防控體系，包括三級(jí)，預(yù)警、防護(hù)、消防。預(yù)警，就是提前足夠長(zhǎng)的時(shí)間告警存在安全隱患的電池，給運(yùn)維部門留出妥善處置的時(shí)間；防護(hù)，就是將單個(gè)電池的熱失控及燃燒限制在一個(gè)有限的空間內(nèi)，不要造成火災(zāi)的蔓延；消防，就是能夠快速的撲滅電池的初期火災(zāi)，并采取措施長(zhǎng)時(shí)間抑制復(fù)燃。

對(duì)于電池預(yù)警的技術(shù)要求，主要包括能夠判斷電池異常狀態(tài)，并根據(jù)電池異常狀態(tài)的嚴(yán)重性進(jìn)行分級(jí)報(bào)警，同時(shí)，要減少誤報(bào)。對(duì)于電池安全防護(hù)的技術(shù)要求，主要包括抑制故障電池對(duì)被動(dòng)電池的熱沖擊，并引導(dǎo)電池燃燒爆炸釋放能量快速排出，降低電池燃燒爆炸對(duì)模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)的物理沖擊。對(duì)于電池消防安全技術(shù)主要是要開發(fā)電池火災(zāi)專用滅火技術(shù)，要研發(fā)具備良好吸熱特性和絕緣性能的電池火災(zāi)專用滅火介質(zhì)，開發(fā)與電池火災(zāi)特性匹配的滅火技術(shù)，滅火技術(shù)必須具有良好的滅火效果，快速滅火，長(zhǎng)時(shí)間（24h）抑制復(fù)燃，減少對(duì)其它未起火電池和電氣設(shè)備的損害，減少經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)，滅火劑要成本低，無(wú)二次污染，環(huán)境友好。下面我重點(diǎn)講一下目前針對(duì)電池火災(zāi)常用的滅火技術(shù)和滅火劑，首先來(lái)看用水來(lái)滅電池火災(zāi)，對(duì)于這一點(diǎn)，我只講一條，就是國(guó)家電網(wǎng)公司制定的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電化學(xué)儲(chǔ)能電站技術(shù)導(dǎo)則》（Q/GDW10769-2017）中9.4.5條明確規(guī)定“當(dāng)鋰離子電池電站發(fā)生火災(zāi)時(shí)，嚴(yán)禁使用水噴淋方式滅火?！毕旅鎭?lái)看七氟丙烷，七氟丙烷對(duì)于撲滅電池火災(zāi)的明火具有較好的效果，因此被廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能集裝箱/儲(chǔ)能電站中。但目前采用的七氟丙烷浸沒(méi)式滅火設(shè)計(jì)方式對(duì)于撲滅電池火災(zāi)效果有限，同時(shí)，七氟丙烷也不具備抑制電池復(fù)燃的作用。我們?cè)倩仡櫼幌聢?bào)告剛開始時(shí)我們說(shuō)的山西省消防總隊(duì)針對(duì)山西電站事故的調(diào)查和認(rèn)定報(bào)告，報(bào)告的結(jié)論中寫了：該系統(tǒng)設(shè)置了七氟丙烷滅火系統(tǒng)，設(shè)計(jì)滅火濃度為9%，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，發(fā)生火災(zāi)的儲(chǔ)能單元內(nèi)七氟丙烷滅火系統(tǒng)已動(dòng)作，通風(fēng)口處的防火閥已關(guān)閉，但未能將火災(zāi)撲滅。七氟丙烷對(duì)于此類火災(zāi)的滅火效能未得到有效檢驗(yàn)！我在這再解釋一下，七氟丙烷對(duì)于滅電池的明火是有效的，只是目前集裝箱內(nèi)的這種布置方式造成七氟丙烷沒(méi)有效果，因?yàn)槟壳暗倪@種布置方式，當(dāng)某個(gè)電池組發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防接到信號(hào)，七氟丙烷就從噴頭處向外噴射，當(dāng)七氟丙烷蔓延到著火的電池模組周圍，達(dá)到滅火濃度時(shí)，電池的火災(zāi)已經(jīng)擴(kuò)大了，也就是說(shuō)，目前的這種七氟丙烷布置的方式，無(wú)法有效撲滅電池的初期火災(zāi)，當(dāng)火災(zāi)擴(kuò)大后，七氟丙烷也就無(wú)效了。另外，七氟丙烷對(duì)于抑制電池復(fù)燃是沒(méi)有效果的。下面再來(lái)看看Novec 1230，這是3M公司開發(fā)的一種滅火劑，1230 具有良好的吸熱特性，可以通過(guò)對(duì)發(fā)生火災(zāi)的電池進(jìn)行降溫達(dá)到滅火的效果。但是，1230 沸點(diǎn)為49.2℃，容易氣化，短時(shí)間內(nèi)即揮發(fā)完畢，無(wú)法對(duì)發(fā)生火災(zāi)的電池持續(xù)降溫，因此，對(duì)于電池復(fù)燃的抑制效果有限。

最后，我介紹一下中國(guó)電科院在電力儲(chǔ)能電池安全方面的研究工作，中國(guó)電科院電池安全技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)依托新能源與儲(chǔ)能運(yùn)行控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和全國(guó)電力儲(chǔ)能標(biāo)委會(huì)，對(duì)接IEC/TC120參與電池安全國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)編制，牽頭承擔(dān)電池安全領(lǐng)域的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題1項(xiàng)、國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目10項(xiàng)，掌握電池安全機(jī)理、電池燃燒與火災(zāi)蔓延特性、安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法、安全防護(hù)技術(shù)，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利40余項(xiàng)。在電池預(yù)警技術(shù)方面，我們根據(jù)鋰離子電池燃燒爆炸過(guò)程及現(xiàn)象分析，建立了涵蓋易燃性、釋熱性、煙氣毒性的綜合評(píng)估指標(biāo)體系，系統(tǒng)反映電池火災(zāi)造成的可能安全風(fēng)險(xiǎn)，制定了電池危險(xiǎn)等級(jí)分級(jí)表。我們同時(shí)研究了以溫度作為預(yù)警值的預(yù)警策略，研究了以溫感、煙感和火感相結(jié)合的火災(zāi)報(bào)警策略。

在電池安全防護(hù)技術(shù)方面，我們開發(fā)了一種阻燃隔熱材料，以EPDM為主體,加入功能添加劑，提高隔熱性能，基于此隔熱材料，我們進(jìn)行了電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因?yàn)榧尤胱枞几魺岵牧?，?huì)對(duì)電池組的散熱造成影響，因此，如何平衡隔熱和散熱之間的關(guān)系是非常重要的。我們研制了計(jì)及電管理、熱管理和安全防護(hù)功能的10kW電池組樣機(jī)，并對(duì)電池組進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，最小儲(chǔ)能單元的燃燒沒(méi)有影響其他相鄰電池。

在電池消防安全技術(shù)方面，我們開展了專用消防滅火技術(shù)攻關(guān)，自主研制了鋰離子電池自動(dòng)滅火裝置，采用自主研制的鋰離子電池專用氣液復(fù)合滅火劑，根據(jù)不同類型電池采取不同的滅火策略，具有智能判定、自動(dòng)啟動(dòng)功能，能夠在5s內(nèi)快速撲滅明火，且24小時(shí)無(wú)復(fù)燃，同時(shí)還具有成本低、對(duì)其它設(shè)施無(wú)損害和環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)。目前我們研制的鋰離子電池自動(dòng)滅火裝置已經(jīng)順利通過(guò)了國(guó)家消防裝備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心組織的產(chǎn)品檢驗(yàn)。在產(chǎn)品檢驗(yàn)中，滅火裝置的自動(dòng)響應(yīng)時(shí)間僅為0.5秒，在3.5秒內(nèi)就能撲滅電池明火，且24小時(shí)內(nèi)電池沒(méi)有復(fù)燃，表明該裝置具備了優(yōu)良的滅火和抑制復(fù)燃的性能。針對(duì)預(yù)制艙儲(chǔ)能系統(tǒng)，我們還開發(fā)了預(yù)制艙儲(chǔ)能消防系統(tǒng)，預(yù)制艙儲(chǔ)能消防系統(tǒng)將火災(zāi)監(jiān)測(cè)范圍確定在電池模組級(jí)別，對(duì)于初期火災(zāi)采取快速感知，定向精準(zhǔn)滅火的策略，迅速滅火，并采取措施長(zhǎng)時(shí)間抑制電池復(fù)燃。我們開發(fā)的預(yù)制艙儲(chǔ)能消防系統(tǒng)即將應(yīng)用到浙江省電力公司杭州江虹變儲(chǔ)能電站中，在8個(gè)40尺預(yù)制艙中進(jìn)行應(yīng)用。

最后，我想再明確一點(diǎn)，就是目前所采用的滅火技術(shù)主要是針對(duì)電池火災(zāi)發(fā)生初期撲滅火災(zāi)的措施。如果火災(zāi)擴(kuò)大到大規(guī)模爆炸燃燒時(shí)，必須及時(shí)采取外部消防措施，因此，儲(chǔ)能電站及儲(chǔ)能集裝箱應(yīng)該設(shè)計(jì)預(yù)留外部消防進(jìn)水通道。