锂电池储能电站火灾风险分析与对策探讨

贾 超，赵 霞，张 妍

(1.水电水利规划设计总院，北京 100120；2.中国电子工程设计院有限公司，北京 100097)

0 引言

截至2020 年底，全球新增投运电化学储能项目的装机规模为4.7 GW，累计装机规模为14.2 GW，其中，锂离子电池的装机规模最大，占比达92 %。锂电池储能凭借能量密度高、选址易等优势蓬勃发展的同时，也面临着不小的安全挑战。近些年，国内外已发生多起储能电站火灾造成人员伤亡和经济损失的事件，如2021 年扬州高邮因电池充满后发生短路，壳体爆炸起火，导致储能集装箱烧毁；2021 年北京丰台某光储充一体化项目因电池发生内部短路故障，导致起火、爆炸、人员伤亡事件等。锂电池储能项目运营安全问题已经取代经济问题成为制约其大规模应用的瓶颈。

1 锂电池储能电站火灾特点分析

锂电池主要由正负极材料、电解液、隔膜、集流体和外壳组成，正极是含锂元素的化合物，主要为磷酸铁锂和三元锂。锂电池作为能量储存体发生火灾与普通火灾不同，其本质是电池发生热失控，引发内部发生电化学反应，产生了大量的热和可燃气体[1]。

1.1 热失控机理

锂电池的热失控是指电池内部出现放热连锁反应引起电池温升速率急剧变化的过热现象。早期阶段电池温度升高到80 ～120 ℃时，负极表面的固体电解质界面膜(solid electrolyte interface，SEI)开始分解，负极失去保护后，温度继续升高，隔膜融化收缩，正负极之间相互接触短路，引发持续放热，进入电池鼓包阶段，此时电池内部剧烈反应，产生大量的热和可燃气体；当达到铝箔的熔点660 ℃时，铝箔融化，大量可燃气体喷出，电池处于阴燃状态，开始释放出大量的烟雾，遇氧气可能会发生剧烈的燃烧或爆炸[2-4]。

1.2 燃烧特征

锂电池的燃烧在SEI 膜、电解液、正极等发生分解反应后，其过程会大规模释放热量和气体，具有以下显著特征[5-6]。

(1) 燃烧激烈、热蔓延迅速。SEI 膜分解生成的O2，锂遇水发生剧烈反应后产生Li2O 和H2，均使燃烧更加剧烈。

(2) 容易复燃、灭火难度大。常规物理隔绝氧气或切断燃烧链的方法只适用于扑灭明火，无法从根本上扑灭锂电池火灾，锂电池阴燃状态下很容易复燃。

(3) 毒性很强、危险性大。电池燃烧会释放出大量对人体有害的毒性气体，其中PF5(五氟化磷)对皮肤、眼睛、粘膜有强烈刺激性，并在潮湿空气中会剧烈水解产生有毒和腐蚀性的HF 烟雾。

(4) 燃烧过程复杂，共涉及A类(固体)、B类(液体)、C 类(气体)、D 类(金 属)、E 类(带电)五种火灾类型。

1.3 热失控原因分析

锂电池的热失控是由各种滥用引发的[7]，包括机械滥用(如碰撞、挤压、穿刺)、电滥用(如过充电、过放电、短路)和热滥用(如局部过热、火灾)等，如图1 所示。储能电站除电池运输、地震等不可抗力因素外发生机械滥用的可能性较小，仅需考虑电滥用和热滥用，而热滥用往往又是电滥用演变而来，是触发热失控的直接原因。

1.4 热失控的鉴别

温度变化是伴随整个热失控过程的，合理确定电池异常发热及SEI 膜分解的温度，对鉴别锂电池如何开始失去热稳定性至关重要[8]：热失控发生前会出现电压突变，利用电池的电压、电流、内阻值等数值，通过电池的计算策略可实现热失控的提前判断；也可通过采集电池泄露的气体，并对气体成分及含量分析来进行热失控的判断。

2 锂电池储能电站火灾管理现状

(1) 消防标准不完善。GB 51048—2014《电化学储能电站设计规范》对锂电池火灾认识不足，电化学储能电站仅参考常规工业建筑进行消防设计，把锂电池室的火灾危险性分类定为戊类，没有考虑到其作为能量载体的可燃性和热失控的连锁反应。

(2) 消防设计不合理。目前在运行的绝大多数锂电池储能电站未配置水消防系统，预制舱内也仅配置烟感、温感报警及七氟丙烷气体自动灭火 系 统。 美 国NFPA 855-2020《Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems》要求配备消防给水系统，且通风系统应能限制可燃气体在最低爆炸极限的25 %以下，国内尚无相关要求。

(3) 消防理念欠缺。锂电池火灾的消防宣传不够，在电池热失控的情况下，首先要保证人员的安全，再尽量去隔离电池设备，NFPA 855-2020 要求为消防员配备防爆设备。

图1 热失控引发原因

3 新建电站的应对措施

3.1 电站设计

锂电池储能电站选址应避免人员密集的地区，严禁选择在地下、半地下区域。在条件允许的情况下设置室外消火栓，室内电池组之间宜用防火墙分隔。室外预制舱的间距按长边不低于3 m，短边不低于4 m 设计，用地紧张的可考虑用防火墙分隔，储能场站设计环形的消防车道。

3.2 电池材料选择

(1) 改善电池的正负极材料。锂离子正极材料可以通过表面包覆来延迟或者减少引起热失控的副反应，比如用AlPO4(磷酸铝)包覆正极材料可以抑制电池过充时的副反应，包覆ZrO2(二氧化锆)和AlF3(氟化铝)等能够同时提高电池的循环性和热稳定性；电池的负极可选用Li4Ti5O12(钛酸锂)的插层材料和锂合金材料，在提高电池性能的同时还能改善电池的热稳定性。

(2) 改善电池的电解液。电解质中添加阻燃添加剂，阻燃剂能直接降低电解液的易燃性。全固态锂离子电池采用非可燃性固态电解质，将会彻底解决电池电解液产生枝晶、腐蚀、泄露、易燃、副反应多的安全问题[9]。

(3) 改善电池的隔膜。为提高隔膜的热稳定性和机械强度，可采用增加陶瓷涂层[10]和多层隔膜设计[11]。

3.3 电池管理系统

控制火灾的关键在于及时发现并鉴别热失控，针对不同电池制定电池热失控识别方法及判定策略，并与电池管理系统(BMS)联动，以在热失控前期阶段发现即将失控的电池，并迅速隔离。主流厂家BMS 对电池模块的温度采样点一般不少于4个，目前新装电站普遍采用大电芯方案，为每个电芯加装测温电阻成为可能。

3.4 预制舱设计

预制舱的设计宜采用非步入式方案，在箱体长边开门，杜绝人员进入舱体的可能性，保证调试、运行、消防人员安全；预制舱内加装可燃气体报警装置(尤其是氢气报警器)、排风泄压装置、注水孔和放电通道等设施，并与BMS、消防系统联动，实现火灾快速发现并处置。

3.5 消防介质选择

根据灭火剂的物理状态，可将用于锂电池消防的灭火剂分为气体灭火剂、水及水基灭火剂、泡沫灭火剂、固体灭火剂、特殊灭火剂等[12]。

(1) 气体灭火剂选择。气体灭火剂对扑灭锂电池火灾明火较为有效，但对电池的冷却能力差，需要持续的喷射才能有效地抑制锂电池的复燃[13]，目前美国的电化学储能电站普遍采用了冷却性能更好的全氟己酮气体加水消防的灭火方式。

(2) 水及水基灭火剂选择。细水雾具有用量小、低成本、环保、低电导率等特点，国外已针对性开发了名为EDU 的便携式细水雾灭火器，用来预防国际空间站储能电池火灾，同时为提高细水雾的灭火能力，通过混合添加剂(如表面活性剂F500、全氟己酮等)来抑制燃烧链反应，增强灭火性能。

(3) 泡沫灭火剂选择。泡沫灭火剂因其低成本、低污染、灭火效果好的优点广泛用于A，B 类火灾。水成膜泡沫(AFFF)灭火剂可以扑灭锂电池火灾的明火，但容易再次复燃。

(4) 固体灭火剂选择。固体灭火剂主要指干粉灭火剂，ABC (磷酸铵盐)干粉灭火剂对温度控制效果不佳，仅可用于单个电池扑灭明火，也能有效防止磷酸铁锂电池的复燃，但对钴酸锂电池防复燃效果不佳。

(5) 特殊灭火剂选择。蛭石水溶剂(aqueous vermiculite dispersion，AVD)是一种蛭石粉的水分散体灭火剂，电池冷却表现优异，同时在气、液、固三态转化过程中能吸收大量的有毒烟雾，对环境友好[14]。

基于锂电池火灾的独特性，新建的储能电站应根据所处环境，消防用水、冷却方式、隔离条件、事故应急等因素，综合灭火效能、运营维护等选择适用于电站自身的灭火剂。

3.6 消防验收与应急配置

建设单位应按照属地政府部门的管理要求开展储能电站消防设计审查及验收工作，消防验收或检测合格后方可运行。

消防应急配置参考相应的国家标准执行，但不建议配置正压式呼吸器。正压式呼吸器穿戴复杂，是供专业救护人员使用的，电站运行人员培训和使用机会不多，且发生锂电池火灾，不建议人员贸然冲入火场救火，而是做好断电隔离等措施，等待专业救援，确保人员安全。

4 已建电站的改造

目前，已建的储能电站大多采用单一的七氟丙烷气体灭火系统，其对扑灭电气明火有一定作用，但在防止电池复燃上有欠缺。建议再增加一套采用细水雾、全氟己酮或其他新型灭火剂的自动灭火系统防止电池复燃，及在电池室或电池舱内增加可燃气体报警装置、排风装置和泄压装置，并与BMS联动控制。

加强防火应急预案的修订与演练工作，坚持生命至上的原则，在确保安全的情况下实施灭火。做好储能电站的火灾情景构建、电池隔离计划、逃生路线选择等工作。

5 结束语

针对锂电池储能电站的运行安全风险，建议统一建立电化学储能安全应急平台，采集各储能电站的关键运行数据，利用大数据和相关侦测技术，及时全面反映各电站的运行情况。建立储能电站事故数据库，全面了解各储能电站的事故情况，分析原因，举一反三防止类似事故再次发生。

贯彻“预防为主，防消结合”的消防方针，把火灾事故控制在源头。随着科技的不断进步，电芯安全技术、热失控的鉴别技术、锂电池火灾的识别技术、高效灭火剂的研发不断得到突破，锂电池的火灾风险不断降低，电化学储能向着高密度、集约化、模块化不断发展，大规模电能存储将成为可能，对调整供电结构，优化能源配置做出贡献。