鋰離子電池火災事故多發(fā)，原因何在？

◎安全始終是鋰離子電池儲能行業(yè)發(fā)展的難點之一，同時，相關規(guī)程規(guī)范的缺失，也加劇著鋰離子電池儲能行業(yè)的安全發(fā)展壓力。

◎“一般來講，導致鋰離子電池發(fā)生火災爆炸事故的直接原因是電池熱失控。造成熱失控，一方面是電芯內(nèi)部本身有缺陷，另一方面，由外部撞擊產(chǎn)生放熱，也會導致熱失控。可以確定的是，提高電池一致性，是確保電池組安全性和可靠性的重要路徑?！?/p>

◎“目前，國內(nèi)儲能安全的標準及相應規(guī)范還是比較滯后。發(fā)生事故必須把事故的真實原因找到，針對問題去提解決方案和整改措施。標準規(guī)范滯后的一部分，需要有關部門加緊研究和整改。”

日前，北京市豐臺區(qū)儲能電站起火爆炸事故調查報告發(fā)布。報告認為，南樓起火直接原因系西電池間內(nèi)的磷酸鐵鋰電池發(fā)生內(nèi)短路故障，引發(fā)電池熱失控起火。北樓爆炸直接原因為南樓電池間內(nèi)的單體磷酸鐵鋰電池發(fā)生內(nèi)短路故障，引發(fā)電池及電池模組熱失控擴散起火，事故產(chǎn)生的易燃易爆組分通過電纜溝進入北樓儲能室并擴散，與空氣混合形成爆炸性氣體，遇電氣火花發(fā)生爆炸。調查歷時半年之久，對事故的來龍去脈進行了科學嚴謹?shù)姆治霾⒌贸鼋Y論，對行業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展具有深刻的借鑒和指導意義。

今年4月14日，“儲能國際峰會暨展覽會（2021）”在北京國家會議中心隆重召開。作為中國儲能產(chǎn)業(yè)最權威的產(chǎn)業(yè)研究報告，《儲能產(chǎn)業(yè)研究白皮書2021》（以下簡稱白皮書）也在此次大會上公開發(fā)布。白皮書預計，“十四五”期間，我國的電化學儲能市場將正式跨入規(guī)?；l(fā)展階段。中國能源研究會理事長史玉波在會上表示，作為儲能的重要表現(xiàn)形式，電化學儲能具有設備機動性好、響應速度快、能量密度高和循環(huán)效率高等優(yōu)勢，伴隨電化學成本凈增力的顯現(xiàn)，在可再生能源發(fā)展剛需下，電化學儲能將迎來快速發(fā)展。

根據(jù)能量轉換方式，電化學儲能主要包括鋰離子電池儲能、鉛蓄電池儲能和液流電池儲能。其中，鋰離子電池具有循環(huán)特性好、響應速度快的特點，是目前電化學儲能中主要的儲能方式。一些對于電力供應要求有高質量且供應穩(wěn)定的行業(yè)，例如醫(yī)院、銀行、指揮控制中心、通信基站等，大多使用鋰離子電池儲能作為應急UPS電源，保障供電的穩(wěn)定性。但是鋰離子電池自身也有缺點，安全始終是鋰離子電池儲能行業(yè)發(fā)展的難點之一。同時，相關規(guī)程規(guī)范的缺失，也在加劇著鋰離子電池儲能行業(yè)的安全發(fā)展壓力。

提高電池一致性降低事故風險

“一般來講，導致鋰離子電池發(fā)生火災爆炸事故的直接原因是電池熱失控。造成熱失控，一方面是電芯內(nèi)部本身有缺陷，例如電芯電壓不平衡，使用老化或者電芯內(nèi)產(chǎn)生枝晶現(xiàn)象從而造成短路。由此，電池組本身的BMS（電池管理系統(tǒng)）、內(nèi)部結構設計、電芯質量、工藝管理等都非常重要。另一方面，由外部撞擊產(chǎn)生放熱，也會導致熱失控?！比绻履茉磩?chuàng)新實驗室技術總監(jiān)黃峰表示，針對鋰離子電池熱失控的情況，目前國內(nèi)主流的解決方法主要是從外部保護和內(nèi)部改進兩個方面進行改進。外部保護主要是指系統(tǒng)方面的升級改進，內(nèi)部改進是指提高電池自身安全性能。

“安全預警和自動控制是提升電池安全性的兩個主要方面。目前，大多數(shù)安全技術是基于利用多種傳感器對鋰電池的環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)進行采集及分析，依據(jù)一定的運行數(shù)字模型，對采集數(shù)據(jù)進行在線分析，判斷鋰電池出現(xiàn)熱失控風險的概率，從而自動觸發(fā)安全應對裝置及運營告警，控制熱失控影響，將電池火災風險降到最低。”黃峰補充說，但從根本上講，鋰離子電池熱失控很難被預測。熱失控的根本原因在于電芯內(nèi)部不均衡、不一致，這會導致性能劣化的電池更快地衰變，甚至直接失效；也有一部分會產(chǎn)生熱失控、燃燒和爆炸。這就意味著，如果電芯內(nèi)的每一個微觀的電極材料顆粒、隔膜到宏觀的極片、殼體封裝都百分之百一致，那么所組成的電池組就會有更好的安全穩(wěn)定性。并且這個衰變到短路的過程會十分緩慢，且給出的電壓信號不明顯。通常情況下，發(fā)生事故的電池，往往是在短短的幾分鐘之內(nèi)就進入了熱失控。事故發(fā)生后，電池幾乎全毀，事故調查困難重重，技術人員往往無法追蹤，這也讓相關研究遇到了困難。

“可以確定的是，提高電池一致性，是確保電池組安全性和可靠性的重要路徑。同時，提供外部保護的相關安全技術發(fā)展也能為預防事故發(fā)生爭取寶貴的時間。在預警技術方面，監(jiān)測電池是否泄漏氣體的傳感器，至少能夠在電池發(fā)生事故前5分鐘進行有效預警；自毒化技術，在電池熱失控的前期，自身能夠釋放化學物質，使得電池內(nèi)部鈍化，從而打斷熱失控的鏈條，避免事故發(fā)生。”黃峰說。

就如何提升電池安全性，寧德時代新能源科技股份有限公司高級工程師陳小波特別強調了電池安全防護的生命周期，“動力電池安全是系統(tǒng)工程，對電池的安全防護應該是全生命周期的。電池從開發(fā)設計到生產(chǎn)制造，到售后服務再到回收再生，都存在安全風險，要想辦法規(guī)避這些風險。”他提出，在產(chǎn)品設計層面，要提高安全閾值，電池包從設計環(huán)節(jié)就要做到防水、防火、防撞、防高壓漏電，同時做到高可靠性。注重制造過程的質量與安全管控，注重動力電池全生命周期的安全性，例如在早期階段，需要注意軟硬件故障及工藝、生產(chǎn)層面的問題；中期階段需要關注偶然性失效問題，例如電芯的膨脹、低壓連接件的老化、低壓線束老化等。最后，要加強售后維護、安全預警與產(chǎn)品的報廢處理。

另外，電化學儲能電站設計合理性也很重要，要考慮到建設地周圍的溫度及氣候，同時保證變壓器、繼電器等關鍵配套設備的安裝和質量問題，這樣才能提升儲能電站整體安全環(huán)境，確保鋰離子電池儲能安全。

標準規(guī)范跟上安全發(fā)展同步

技術標準滯后已成為影響這一產(chǎn)業(yè)規(guī)范化發(fā)展的主要癥結。鋰電池儲能行業(yè)缺乏有效的引導政策和激勵措施，這可能導致項目上設計過于簡單、檢驗測試缺乏權威性統(tǒng)一性、電池安全存在隱患等問題。

“目前，國內(nèi)儲能安全的標準及相應規(guī)范還是比較滯后。發(fā)生事故必須把事故的真實原因找到，針對問題去提解決方案和整改措施。標準規(guī)范滯后的一部分，需要有關部門加緊研究和整改?！敝嘘P村儲能產(chǎn)業(yè)技術聯(lián)盟常務副理事長俞振華表示，從全球儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況來看，鋰電由于在動力電池領域的廣泛應用，特性已被行業(yè)熟知，全球新建儲能項目也基本以鋰電為主，鋰電的主流廠商在歐美市場保持比較低的事故率，部分項目的安全使用時間已經(jīng)超過8年，國外很多有價值的經(jīng)驗已經(jīng)轉化成為規(guī)范和標準。這充分說明雖然鋰電池存在易燃、熱失控的風險，但通過嚴格有效的管控、從安全角度提高準入門檻，還是可以保障鋰離子電池儲能系統(tǒng)的安全性。加強安全管理既有必要，也能夠讓產(chǎn)業(yè)發(fā)展更健康。

據(jù)了解，目前我國鋰離子電池儲能行業(yè)的技術標準有國家標準和行業(yè)標準，具體包括《電化學儲能電站設計規(guī)范》（GB51048—2014），《電化學儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)與電池管理系統(tǒng)通信協(xié)議》（DL/T1989—2019），《電池儲能功率控制系統(tǒng)變流器技術規(guī)范》（NB/T31016—2019），《光儲系統(tǒng)用功率轉換設備技術規(guī)范》（NB/T10186—2019）。

“盡管目前已頒布的標準涵蓋了對電池本體的技術要求、裝備技術條件等方面的內(nèi)容，但對儲能電站控制保護設備基本技術條件、儲能電站及電池系統(tǒng)運行維護、儲能電站運行環(huán)境要求、儲能電站消防安全等方面的標準仍然缺乏。”黃峰補充道，“鋰離子電池儲能行業(yè)若要發(fā)展提速，我們認為還應聚焦在電池的安全性和可靠性等關鍵問題上，加大技術路線圖的研究投入力度。”

（作者：本報記者李金素）

鋰離子電池火災特征及撲救措施

常見安全隱患

　　一般來說，鋰離子電池出現(xiàn)安全問題表現(xiàn)為燃燒甚至爆炸。出現(xiàn)這些問題的根源在于電池內(nèi)部的熱失控，此外，鋰離子電池還可能受到一些外部因素的影響發(fā)生安全問題，如過充、火源、擠壓、穿刺、短路等。

　　目前，市場上新能源汽車以三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池使用最為廣泛。據(jù)統(tǒng)計，歷年電動車鋰離子電池火災事故中，68％由于內(nèi)部或者外部短路造成，15％由于充放電造成，7％由于設備意外啟動造成，10％為其他原因造成。

　　從起火原因看，電氣故障和自燃是造成電動車火災的主要原因，而過充、電池單體故障、電氣線路短路是導致火災的根本原因。

火災特征

　　氣體逸出是鋰離子電池失控的主要表現(xiàn)之一。鋰離子電池起火，會急速噴出大量的白色煙霧，其主要成分為鋰電池電解液的蒸氣或分解產(chǎn)物。在起火初期，煙霧顏色差異是區(qū)分鋰電池起火和常見火災最明顯的特征之一。

　　鋰離子電池熱失控后，分解出的可燃氣體與空氣混合形成爆炸性混合氣體，遇鋰電池噴射出的高溫顆粒，在局部空間會發(fā)生爆燃，導致起火初期經(jīng)常伴有爆炸聲響。

火災撲救方法

　　目前，鋰離子電池火災撲救主要有以下幾種方法。

　　1.將滅火效果較好的滅火劑與降溫效果較好的滅火劑相結合。如使用全氟己酮和細水霧先后進行滅火，利用全氟己酮優(yōu)良的滅火作用熄滅電池火焰，隨后利用細水霧的降溫作用，及時降低熱失控電池溫度和環(huán)境溫度，防止電池發(fā)生復燃和熱失控傳播。

　　2.通過間歇噴射滅火劑的方式進行高效滅火降溫。以全氟己酮作為滅火劑，發(fā)生火災時，首先噴射大量的全氟己酮進行滅火，降低模組中可燃氣體的濃度。隨后根據(jù)溫度變化，多次少量的間歇噴射全氟己酮，進行有效降溫和維持模組中全氟己酮的滅火濃度，防止電池發(fā)生復燃。

　　3.將火災抑制膠囊置于電池內(nèi)部也可以抑制電池熱失控，熄滅明火。抑制膠囊由全氟己酮、磷酸三甲酯和五氟丙烷組成。其中，全氟己酮為滅火劑，磷酸三甲酯為阻燃劑，五氟丙烷為驅動劑。電池熱失控時，膠囊受熱破裂，驅動劑將抑制劑推向電池內(nèi)部，在短時間內(nèi)熄滅電池火，并抑制電池內(nèi)部反應，進而抑制熱失控的進一步擴展，防止發(fā)生熱失控傳播、火災蔓延等事故。值得注意的是，滅火后要及時排氣泄壓。電池熱失控時，產(chǎn)生大量的可燃易爆氣體，當電池火焰被熄滅后，這些可燃易爆氣體仍積聚在電池模組或者預制艙內(nèi)，因此需要在電池滅火后及時將這些可燃易爆氣體排出，降低模組或預制艙內(nèi)的壓力和濃度。