孙金华院士 储能火灾如何发生 如何防止 如何迎接挑战

近日，在《能源》杂志主办的“2023能源互联网产业发展大会”上，欧盟科学院院士、中国科技大学教授孙金华依据最新研究成果，总结了电化学储能火灾发生的行为规律、造成爆炸的主要气体、电池热失控蔓延的传播机制及临界条件等，并对电化学储能电站安全防控手段及现阶段所面临的挑战做出详解。

欧盟科学院院士、中国科技大学教授孙金华

“(过去)平均每座储能电站每年火灾发生概率在4-6‰的范围，这个概率已经非常高了”，孙院士表示，未来储能电站想要做到安全可靠，就要构筑好锂电池的“本体安全-过程安全-消防安全”的三道防线，并发展好集热管理、故障诊断、监测预警和灭火协同等一体化技术。

“虽然现阶段电池的本质安全(单体电池的失效概率)已经做到了10的-8次方，未来能不能从电池材料、电池系统的安全设计等等进一步提升它的安全性，做到10的-9次方或10的-10次方，这是我们共同努力的目标。”

如何发生？

“实现‘双碳’目标，必须与能源结构紧密结合起来。”

孙金华表示，在未来能源结构当中，将以可再生的绿色能源为能源主体;发电则将以可再生能源大规模与分布式发电并举;由电池、氢能等作为新能源的存储载体;并通过能源智慧互联网构建能源网络。

储能技术是践行和落实能源革命的关键环节。目前，80%左右的储能以抽水蓄能为主。未来根据市场的需求和特点，会逐步进入到电化学储能、氢储能、抽水蓄能等储能方式并举的局面。

各类储能方式并存

过去的几年间，电化学储能产业发展尤为迅猛。

2019—2022年，电化学储能装机几乎呈指数级增长。到2022年底，电化学储能累计装机容量约达12.30GW，新增7.15GW，新增容量超过去所有年份的装机总量，且增长态势仍在持续。

特别是在“双碳目标”的国家战略加持下，电化学储能产业将继续爆发式增长。保守估计，到2027年，电化学储能累计装机将达97.5GW。计划到2025年，电化学储能实现万亿规模产业;到2030年，产业规模有望突破3万亿。

孙金华指出，伴随电化学储能行业的快速发展，安全问题时时涌现。无论从发电侧、电网侧还是用户侧，抑或光储充一体综合等应用场景，都出现不少的火灾和爆炸事故。

特别是发生在2021年4月16日的北京大红门25MWh储能电站火灾事件，导致1名员工死亡、2名消防员牺牲，也是全球储能行业第一次发生亡人事故。

4·16北京大红门储能电站火灾

到2022年底，我国建成500kWh以上储能电站772座，运行中的472座，仅公开报道的火灾事故就有3起(江西、海南、江苏)。

“平均每座储能电站每年火灾发生概率在4-6‰的范围，这个概率已经非常高了。”孙金华谈道。

不仅在我国，世界上其他国家及地区的储能电站火灾及爆炸事故也屡见不鲜。据公开报道，2022年全球7000余座储能电站共发生火灾事故17起，每座储能电站每年火灾发生概率在2-3‰。

“安全已经成为电化学储能行业发展的痛点和瓶颈问题。”

针对电化学储能的火灾和爆炸事故，储能电池及电池模组的火灾行为规律是怎样的?

孙金华介绍，为了研究不同类型锂离子电池火灾特性，团队基于ISO9705标准设计了电池火灾危险性测试平台，最大可做到10MW规模的火灾模拟，记录电池燃烧行为、表面及周围环境温度变化、质量损失和热释放速率等。

单体储能电池火灾行为规律

基于该平台，研究了50~320Ah的各类大型锂离子电池在不同荷电状态下的火灾特性，以及荷电状态对其火灾特性的影响规律。比如荷电状态与火灾热释放功率、总的热释放速率、荷电状态与燃烧时间等规律关系。

“最终发现，电池的总放热量与其荷电状态几乎呈线性关系。”

而就诱因来看，当储能电站火灾发生，爆炸事故往往随之出现，造成爆炸的主要可燃气体是什么?

“研究结果表明，无论是磷酸铁锂还是三元锂电池，热失控以后都会产生大量的氢气，以及一定量的甲烷、乙烯等可燃气，且与氢气的体积百分数相近，约占30%。”

各类电池热失控产气比例，100%SOC

孙金华表示，在所有两种锂电池均产生大量氢气的基础上。大型的磷酸铁锂电池产生氢气的比例比三元锂电池更高，300Ah以上的磷酸铁锂电池产生氢气能达到50%以上。而三元锂电池虽然产氢比例没有磷酸铁锂高，但是产生可燃气体的总量更多。相应地，其产生氢气的量也不见得比磷酸铁锂要少。

在单体电池的火灾行为规律以及诱发它爆炸的可燃气体以外，对于储能电站安全更关键的是电池模组和电池数。

那么，当一个电池发生热失控以后，它怎么传播蔓延的?诱发下一个电池临界的传播机理机制又是什么?到底是以热辐射为主还是以热传导为主，临界条件是什么?

电池前后表面各测点温度分布

孙金华表示，从实验结果来讲，在电池模组正常敞开的情况下，就温度图可以看出，电池热失控传播的时间间隔越来越短，表明电池模组火焰传播是一个不断加速的过程。

针对电池模组热失控传播机制、临界条件与模型，孙金华院士团队和国内外的团队都有着系统的研究。

“正常情况下，电池之间并不是紧挨着的，里面有一定间隙或加有一些隔热材料。对于方形电池，当电池间距大于2mm时，热失控传播的导热行为将由热传导主控转为辐射主控。”

38Ah方形电池热失控扩散时间相近

敞开空间电池模组，热失控传播的热量则主要来自热传导，火焰辐射影响较小。据欧阳明高院士团队研究结果表明，当前面的电池有12%的热量传递到相邻电池，就足以诱发下一个电池的热失控。

如何防止？

理清了电池的火灾行为规律、电池模组的热失控传播行为，下一步要怎么防止储能电站的火灾?

孙金华表示，就总体思路而言，可通过构筑锂电池的“本体安全-过程安全-消防安全”的三道防线，为锂离子电池安全使用提供技术支撑。

在电池开发方面，研发难燃不燃的电池材料，构建本体安全电池体系第一道防线。要把电池做得够安全，使单体电池发生热失控的概率很低，降低事故的发生概率。

在电池应用方面，通过多信号融合和基于热失控模型的预警，保障电池使用过程安全的第二道防线。在储能电站、新能源汽车使用过程中，要对电池有故障隐患时、热失控孕育阶段就及时地发觉并预警，进行及时处置，目的是把事故扼杀在萌芽状态。

在火灾处置方面，研发多次灭火技术，抑制电池复燃，形成消防安全第三道防线。着火以后要进行迅速的应急处置，快速灭火，防止复燃，“使小火不成大灾”。

孙金华认为，围绕这三道防线，在产学研界的共同努力之下，单体电池安全的技术进步已非常明显。

“单体电池的失效概率已经达到万万分之一，也就是10的-8次方，这是非常了不起的。”

在过程安全方面，针对电池在使用过程中健康状态如何、模组连接时是否虚接等故障，怎么样进行预测预警。孙院士介绍最新研究进展称，发明有基于最大可用容量值的电池模组的健康状态评价方法，实现对隐患电池的及时处置;还有基于交差电压测试和等效电路模型的电池组串联/并联连接故障诊断方法等。

超声无损监测技术(华中科大)

近期，中科大和华中科大还发明了超声无损监测技术和光纤原位监测技术，都可以对电池的故障隐患和极早期失效状态进行监测。结合电池热管理的同时防止电池的热失控传播，集常温散热、高温(火灾)热阻隔为一体的电池模组热管理与热失控阻隔耦合技术。

“电池正常使用温度在25-45度，这是最佳的工作范围，在这个工作范围，充放电过程产生的热量可以迅速被导走;一旦电池着火以后，中间的隔热板能够起到有效的阻挡，使着火电池的热量不向周边电池传播，这就是耦合技术起到的两个作用。”

而在消防安全方面，“我们首先研发出来基于多参数融合的电池热失控预警与火灾报警技术，可对动力锂离子电池及其模组的火灾进行三级预警。”

其中，一级故障预警可以及早发现电池及其模型的隐患故障，并进行安全处置;二级热失控预警可在电池及其模组热失控着火前提前进行预警，以保障人员有足够的时间逃生;三级报警灭火则在火灾发生后及时报警，并启动联动消防装置进行灭火，保障第一时间高效灭火。

一旦前面提到的数道防线均被突破，就要进入到灭火机制和效能的讨论阶段。

“目前来看，建筑消防的灭火剂不一定适用于储能电站。由于储能电站是带电系统，电压在2000伏甚至2000伏以上，水性灭火剂肯定不适用。”孙金华表示，电池火灾化学反应的根源在电池内部，不仅要把气相的火快速灭掉，还要把电池内部的化学反应终止或减缓。

“为此，我们创新发展了基于电池火灾特性的灭火药剂(全氟己酮)程序控制释放，可实现电池快速灭火、降温和抗复燃的问题。”

在国家重点研发计划资助下，中科大、天消所、中科中涣等单位联合研究发液氮灭火抑爆技术，开发了电池系统的液氮灭火抑爆技术。

电池系统液氮灭火抑爆技术实验表现

这项技术不但对敞开空间的电池、封闭空间的电池均有很好的灭火效果，液氮还能迅速地对电池降温，阻断电池内部的化学反应，在新能源汽车、储能电站等方面均有相应的产品应用。

“虽然现阶段电池的本质安全(单体电池的失效概率)已经做到了10的-8次方，未来能不能从电池材料、电池系统的安全设计等等进一步提升它的安全性，做到10的-9次方或10的-10次方，这是我们共同努力的目标。”

孙金华表示未来还需发展新型的高安全储能电池，要兼顾能量密度、寿命、成本等关键要素，当前的钠电池、液流电池等路线都在研究当中。

“我们研发的电池极早期故障诊断的技术，也只是在实验室阶段的成果，还没有得到产业化的应用。怎么样把新兴技术快速产业化，应用到工程实际当中，其中还有比较长的路要走，需要产学研界的共同努力。”

储能电站想要做到安全可靠，就要发展集热管理、故障诊断、监测预警和灭火协同等一体化技术。

一体化技术图示

孙金华认为，BMS系统、消防系统等很多硬件可以共用，数据也可以共享的。但就目前来看，各部分往往还是分割的。怎样达成一体化，形成高效集约的技术系统，关系到保障储能电站的安全可靠运维。

他还表示，要发展基于互联网和云数据的储能系统智能安全管理技术平台。这就要有基础数据(锂离子电池火灾特性、火蔓延特性、热失控临界参数等)、预测模型(锂离子电池故障诊断、热失控预测模型等)的支撑，把储能电站实时数据通过有线或无线网络传播到平台里，在平台里进行智能分析。一旦出现问题就及时地发出预警，进行及时处置，保障储能系统的安全运行。

最后，孙院士谈到站房式储能电站消防安全技术系统。

“95%-100%储能电站是集装箱分布式的。这在有着大量土地的西北地区没有什么问题，但在沿海地区、京津冀地区等土地资源紧缺地区，就必须建设站房式的储能电站，如此一来，安全问题又提升了一个难度”，孙金华说道。

集装箱分布式与站房式储能电站

在规模巨大、能量密度极高、火灾诱因多风险高的站房式储能电站当中，建筑要求与防爆泄爆如何规范?火灾防控技术系统如何运行?防火分区与人员安全撤离如何配置?这些都需要行业各界共同努力提出新的思路。

“集装箱分布式的储能电站安全技术是不是移过来就能用?有的的确可以借鉴，但更多的，还是必须根据站房式储能电站的火灾行为规律，发展有针对性的新型安防技术。”