电化学储能电站火灾的防与控
电化学储能产业具有广阔前景，但在热失控时，可能引发火灾甚至爆炸，并产生有毒气体，造成经济损失和人员伤亡。本文介绍了电化学储能电站火灾事故的特点及危害，并提出防控手段。
近年来，化石能源的日益枯竭和其所带来的温室效应，使得人们逐渐摒弃传统能源。越来越多的新能源，例如太阳能、氢能、风能等，开始接入电力系统。其中，锂离子电池由于其具有循环寿命长、工作电压高、能量密度高、自放电小等优点，成为电化学储能的主力。根据《国家发展改革委国家能源局关于加快推动新型储能发展的指导意见》（发改能源规〔2021〕1051号），到2025年，新型储能装机规模将达3000万千瓦以上，因此，电化学储能产业前景广阔。
然而，锂离子电池在过热、过充放电和短路等滥用情况下，会发生热失控。热失控时，电池内部发生剧烈的放热反应，产生大量的热量和有毒可燃气体，并有可能引发火灾甚至爆炸。同时，有毒气体也会对人们的生命安全造成威胁，进而造成大量的经济损失和人员伤亡。因此，为了防止电化学储能电站火灾事故的发生，需要有效的防控手段。
1、电化学储能电站火灾特点及危害
电池升温快 温度高
电池在滥用条件下，电池温度逐渐升高，电池内部材料，如正负极材料、电解液相继发生反应。这些放热反应产生的热量在电池内部慢慢积聚，使得电池温度进一步升高，同时也促进了后续放热反应的发生。
当电池温度达到热失控临界温度时，电池发生热失控，在短时间内产生大量的热量，电池温度骤升。从图1可以看出， 电池表面温度在热失控时迅速从130℃上升至522℃。由于放热反应发生在电池内部，因此电池内部温度更高，可以达到800～900℃，甚至1000℃。
图1 三元锂离子电池热失控过程中温度、电压变化
伴随猛烈射流火 燃烧剧烈
储能电站常用的电池类型主要为方形硬壳电池，此类电池往往配置有安全阀，来避免因压力过大发生爆炸。随着电池温度的升高，电池内部产生一些可燃气体。随着可燃气体的不断积聚，电池内部压力逐渐增加，当电池内部压力达到电池安全阀破裂阈值时，电池安全阀破裂，大量的可燃气体和电池内部材料被喷射出。
当电池发生热失控时，在电池极高温度的作用下，可燃气体和可燃物质如电解液等被引燃，从安全阀处喷射出猛烈的射流火，火焰高度最高可以达到1米。
热失控易传播
在储能电站中，电池紧密排列在一起形成模组。当模组中的一节电池发生热失控时，紧密排列使得热量可以迅速传递到相邻电池，使相邻电池异常升温。此外，猛烈的射流火由于盖板的阻挡，对相邻电池的热辐射增加，相邻电池的温度进一步升高，直至发生热失控，最终，电池在模组中发生热失控传播。
气体具有爆炸性
电池热失控时，大量的气体从安全阀喷射出，气体主要为H2、CO、CO2、CH4、C2H4和电解液因高温汽化产生的气体。其中一部分可燃气体会在燃烧中消耗，还有部分未燃烧的会积聚在模组内部，随着模组中热失控传播的不断扩展，模组中可燃气体越来越多，造成模组压力增加，最终可能会因压力过大发生物理爆炸。
此外，可燃气体的浓度逐渐增加，当达到混合可燃气体的爆炸极限，即超过爆炸下限6.1%时，热失控电池的高温作为点燃源，当遇到足够的氧气时，可燃气体会发生化学爆炸，最大爆炸压力可以达到0.76MPa，巨大的爆炸压力可以对电池簇、集装箱造成严重的破坏，进而带来经济损失，甚至人员伤亡。例如在北京丰台“4·16”储能电站火灾事故中，由于储能电站发生了爆炸，导致2名消防人员死亡。
气体具有毒性
电池热失控产生的一些气体除了具有可燃性之外，还具有危害很高的毒性，如CO、HF（氟化氢）等。不同体系的电池在热失控时产生的气体成分及占比如图2所示。
图2 不同材料体系电池热失控产气占比（mol%）
可以看出，CO和CO2占比很大。在热失控时，CO浓度最高可以达到250ppm以上，已经可以对人体产生严重的中毒危害。
HF是一种刺激性有毒气体，具有腐蚀性，在50ppm浓度下活动数分钟便有致死的风险。而一节容量为20Ah的100%SOC磷酸铁锂电池热失控时，HF最高浓度约为145ppm，远远高于所规定的HF安全浓度。而储能电站一个集装箱中，有成百上千节电池，热失控时将会使得这些有毒有害气体的浓度急剧增加，大大增加了人员操作和救援的危险性。
2、电化学储能电站火灾防控手段
针对电化学储能电站火灾的特点，可以从以下几个方面进行有效防控。
优化电化学储能电站设计
由于电化学储能电站不同于传统电站，因此，在规划设计阶段，应综合考虑电站的选址、站区规划和布置、储能系统、电气、采暖通风与空气调节、消防等方面。如储能电站的选址不应选择位于城市中心或人员密集区域，甚至地下建筑内，防止储能电站发生事故时给人员和建筑造成巨大的破坏。
同时还要设计好储能电站的防火间距。当储能电站发生火灾时，火焰不断扩大，甚至可能会蔓延至相邻预制舱或者其他建筑物。因此在加强预制舱材料耐火等级的同时，增加预制舱与预制舱或者其他建筑物的防火间距，尤其与预制舱舱门正对的防火间距，防止火焰从预制舱蹿出时对周边预制舱的危害。
此外，储能电站的消防设计应提供足够的消防水源，并预留出足够的消防车道，便于消防车辆的进出。
规范电化学储能电站安全标准
由于电化学储能技术处于快速发展阶段，国内相关的安全标准存在不足，且一些标准要求的指标相对宽松，因此，需要规范电化学储能电站的安全标准，根据储能行业的发展，制定安全要求更加严格、保护性更强的安全标准，同时完善健全相关的行业标准。
如在保证电池本体安全要求的情况下，增加系统与各组件之间的功能安全评估与风险分析要求，同时，针对开展关于安全标准的认证工作，对产品作出明确的强制规定，进而保证储能电站的安全。
完善电化学储能电站安全管理体系
根据电化学储能电站的特点，制定更加完善的电化学储能电站安全管理体系。加强储能电站电池、电池管理系统等相关产品或系统的质量管理，从本质上保证电站安全。
建立健全储能电站安全监测和监督管理体系，对系统及组件进行严格的管理，同时加强对电站操作人员安全意识的专业培训，完善相关安全规章制度，减少相关事故的发生。
提高电站消防应急管理水平，从电站消防的设计、建设、验收、维护等方面进行严格的管理，同时做好相关的消防培训，在对储能电站火灾进行灭火时，做好人员防护，防止电站爆炸造成巨大的人员伤亡和财产损失。
实现电化学储能电站火灾早期探测和预警
在电池火灾前期，进行有效准确地探测并预警，采取相应的消防手段，防止火灾的进一步蔓延。在安全阀打开前，应做好电池故障诊断工作，及早进行预警。当电池安全阀打开时，会产生大量的气体和烟雾，如CO的体积分数可以从2.4×10-6迅速增加至190×10-6。
此外，释放气体如CO2、CH4、挥发性有机化合物（VOC）等，在安全阀打开时都有明显的增加，因此，可以通过相关的气体传感器，再配合烟雾传感器、火灾探测器、温度传感器等，根据电站电池的热失控特性，设定相应的预警阈值，将多种特征参数进行耦合，当不同传感器参数达到所设阈值时，发出警报，实现锂离子电池火灾早期探测和预警，并根据警报采取相应的控制措施，防止锂离子电池火灾的进一步扩大。
此外，应根据量程和灵敏度，选取适当的传感器和探测器，同时设置冗余系统，保证电站火灾早期探测和预警装置的准确响应。
采用稳定可靠的灭火技术
锂离子电池火灾不同于其他典型火灾的特点，增加了其灭火的困难程度，因此，需要使用清洁高效的灭火剂和灭火策略相结合进行灭火，同时灭火后及时排气泄压，防止火灾事故的进一步扩大。
首先是清洁高效的灭火剂。目前，常用的灭火剂主要有二氧化碳、七氟丙烷、全氟己酮和细水雾等。二氧化碳和七氟丙烷的灭火和降温效果均较差，且电池火焰熄灭后易发生复燃。全氟己酮的灭火效果好，但是其降温效果不显著。而细水雾降温好，但是灭火效果不如全氟己酮，且对电池系统可造成二次伤害。因此，需要研究更加环保、对储能电站适应性好、兼具灭火和降温、抑制热失控气体爆炸、对电池损害小的清洁高效灭火剂。
然后是有效的灭火策略。由于目前的灭火剂都存在一定的缺陷和不足，因此需要使用有效的灭火策略，在保证自身优势的前提下，弥补短板。
第一种是将灭火效果较好的灭火剂与降温效果较好的灭火剂相结合。如使用全氟己酮和细水雾先后进行灭火，利用全氟己酮优良的灭火能力熄灭电池火焰，随后利用细水雾的降温能力，及时降低热失控电池温度和环境温度，防止电池发生复燃和发生热失控传播。通过两种灭火剂的协同作用，大大提高了灭火效率和降温效率，有效阻止火灾的进一步扩大。
第二种是通过间歇喷射灭火剂的方式对电池火灾进行高效灭火降温。以全氟己酮作为灭火剂，发生火灾时，首先喷射大量的全氟己酮进行灭火，降低模组中可燃气体的浓度。随后根据温度变化，多次少量的间歇喷射全氟己酮，进行有效降温和维持模组中全氟己酮的灭火浓度，防止电池发生复燃，同时进行有效的降温。
另有相关人员提出，将火灾抑制胶囊置于电池内部来抑制热失控，熄灭明火。抑制胶囊由全氟己酮、磷酸三甲酯和五氟丙烷组成。其中全氟己酮为灭火剂，磷酸三甲酯为阻燃剂，五氟丙烷为驱动剂。电池热失控时，胶囊受热破裂，驱动剂将抑制剂推向电池内部，在短时间内熄灭电池火，并抑制电池内部反应，进而抑制热失控的进一步扩展，防止发生热失控传播、火灾蔓延等事故。
最后是灭火后及时排气泄压。电池热失控时，产生大量的可燃易爆气体，当电池火焰被熄灭后，这些可燃易爆气体仍积聚在电池模组或者预制舱内，因此需要在电池灭火后及时将这些可燃易爆气体排出，降低模组或预制舱内的压力和浓度，防止爆炸的发生。
对于电池模组，通过设置泄压阀，当模组内部压力过大时，泄压阀开启，将气体释放到预制舱中，进而降低模组内部压力。对于预制舱，通过在预制舱设置排气扇，将可燃气体排出预制舱。此外，可以同步在模组或预制舱中释放惰性气体，降低可燃气体浓度，防止气体发生爆炸，抑制火灾事故的进一步扩大。
