楊凱副總工教授級高工鋰離子電池安全問題原因解析鋰離子電池安全問題原因解析2021年4月16日，豐臺區(qū)南四環(huán)永外大紅門西馬廠甲14號院內(nèi)發(fā)生火情，在對電站南區(qū)進行處置過程中，電站北區(qū)在毫無征兆的情況下突發(fā)爆炸，導(dǎo)致2名消防員犧牲，1名消防員受傷，電站內(nèi)1名員工失聯(lián)。2017年、2018年，山西、江蘇也發(fā)生過儲能電站火災(zāi)事故。342021年4月16日11時50分許，位于豐臺區(qū)西馬場甲14號的北京福威斯油氣技術(shù)有限公司(以下簡稱福威斯油氣公司)光儲充一體化項目發(fā)生火災(zāi)爆炸，事故造成1人遇難、2名消防員犧牲、1名消防員受傷，火災(zāi)直接財產(chǎn)損失1660.81萬元。事故發(fā)生后，市委、市政府和應(yīng)急管理部高度重視，相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)第一時間趕赴事故現(xiàn)場，指揮部署滅火救援和事故調(diào)查處理工作。依據(jù)《中華人民共和國突發(fā)事件應(yīng)對法》《中華人民共和國消防法》等有關(guān)法律法規(guī)，參照《生產(chǎn)安全事故報告和調(diào)查處理條例》相關(guān)規(guī)定，市政府成立由市應(yīng)急局、市公安局、市發(fā)展改革委、市總工會、市人力資源社會保障局、市消防救援總隊和豐臺區(qū)政府組成的火災(zāi)事故調(diào)查組，并邀請市紀委市監(jiān)委同步參與，全面開展事故調(diào)查處理工作。調(diào)查組委托應(yīng)急管理部消防救援局天津火災(zāi)物證鑒定中心、清華大學(xué)車輛與運載學(xué)院電池安全實驗室、中國建筑科學(xué)研究院建筑防火研究所、北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室、北京市理化分析測試中心對有關(guān)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。國外儲能電站火災(zāi)事故(美國)2019年4月19日，美國亞利桑那州，2MW/2.47MWh鋰電儲能系統(tǒng)發(fā)生著火亞利桑那州公共服務(wù)部門也在此次事件后停止了其在電網(wǎng)上安裝850兆瓦電池存儲的計劃。5國外儲能電站火災(zāi)事故(美國)時間rack15,module2,battery7的電池電壓下降0.24V(4.06降至3.82V)rack15的整體電壓下降3.8V(799.9降至796.1V),BMS丟失模塊級別數(shù)據(jù)BESS煙霧警報器1和2激活，消防系統(tǒng)觸發(fā)多個斷路器斷開(路器，逆變器交流接觸器，主交流斷路器)檢測到接地故障滅火系統(tǒng)釋放Novec1230滅火劑(根據(jù)設(shè)計，距離警報時間延遲30秒)APS與Fluence聯(lián)系以確認滅火系A(chǔ)PS向現(xiàn)場派遣了一個服務(wù)工程師Fluence現(xiàn)場服務(wù)工程師致電911報告可疑火災(zāi)APS通知911結(jié)束數(shù)據(jù)收集和停止遠程通信(結(jié)束主服務(wù)器和通備用電源)消防部門到達時間應(yīng)急人員打開的集裝箱前門爆炸發(fā)生儲能與電力市場翻譯儲能與電力市場《麥克米肯電池儲能系統(tǒng)事件的技術(shù)分析及建議》2020年7月18日，亞利桑那公共服務(wù)部門發(fā)布●可疑火災(zāi)實際上是一次廣泛的級聯(lián)熱失控事件，由BESS的一個電池單元內(nèi)的內(nèi)部電池故障引發(fā)(cellpair7,●在合理的科學(xué)確定性范圍內(nèi)，可以認為這種故障是由電池內(nèi)部缺陷導(dǎo)致，特別是異常的鋰金屬沉積和樹突狀生長?！耠姵貎δ芟到y(tǒng)中安裝的清潔劑滅火系統(tǒng)在事故發(fā)生時早期按照設(shè)計運行。但是，清潔劑滅火系統(tǒng)的設(shè)計是為了撲滅普通可燃物中的初期火災(zāi)。此類系統(tǒng)無法防止或阻止電池儲能系統(tǒng)中的級聯(lián)熱失控?！耠姵貑卧g缺乏足夠的隔熱層保護，促進了熱失控通過熱傳遞在rack15中傳播，隔熱層保護可能會阻止或減慢熱失控的傳播?！裨赗ack15中發(fā)生的級聯(lián)熱熱失控導(dǎo)致在電池儲能系統(tǒng)中產(chǎn)生了大量的可燃氣體?！裨跓崾Э亻_始后大約三個小時，消防員打開了電池儲能系統(tǒng)的大門，導(dǎo)致爆炸。國外儲能電站火災(zāi)事故(澳大利亞)2021年7月30日上午，“維多利亞大電池”項目的一個特斯拉Megapack電池集裝箱發(fā)生火災(zāi)，該集裝箱的火勢引燃了與之背靠背安裝的另一個Megapack電池集裝箱，8月4日，經(jīng)過4天多的燃燒，現(xiàn)場火災(zāi)得到基本控制，據(jù)媒體報道，事故未造成人員傷亡。8REPORTOFTECCASEYGRANT,PE,SENORCONSULTAGEORGEHDUGH,SENIORCONSowcanwehelpyouowcanwehelpyouHomeLicensrgandcOESHomeLicensrgandcOESTechskainonutonSuleyandr~wtnrgysafewetara1M)athesuakeyrepderhreeQn1.oury2071ESVbecareatowegerpoecomrisinpoihdoduthethArecemmenatonalthe2018RovraireoVeteneDetctyreouorypowpoatyheldbyteDreA0o5onytneCoevnssonwbesugponedtbytveaNsoycomnees此次火災(zāi)事件最有可能的根本原因是此次火災(zāi)事件最有可能的根本原因是MP-1電池儲能單元的液體冷卻系統(tǒng)泄漏導(dǎo)致電池模塊產(chǎn)生電弧。這導(dǎo)致鋰離子電池發(fā)生熱失控，隨即起火，在火災(zāi)發(fā)生時，從MP-1集裝箱的頂部噴出的火焰受到風(fēng)力的顯著影響，火焰從MP-1頂部推向MP-2頂部，MP-2在火焰灼燒下點燃了內(nèi)部組件，并進一步引發(fā)起火燃燒。9boplouedceoingandhoatngsstamtratherthanarcoolnghenslmansementsstomeonitasconyprcónpononitswcoolirftubesThethewtoymacessblofrseracngfomgrthuatcodtheetyhneglyeol/watheneracvkofcooianttubesafowscoobnetobechanekedowwechtryomhumononiscnaolnymentanandhognirngtooptninegperstiufeleovicyandmurvethelretinieortheceKheoughbotcreyanfcMthetangcontrastcurypcalyroqurebenchependertVACsstertomarmnbatterydegrochationgroolorpowsohurtineohanrequretruHcrioryyconTpponhomthegrktbolioyngoontanircodsolurionthineamuchhgborconalystemnoundtrp*fficiencietSinceTetayatthecoieoetthermobosestothesuroutdingesipportrgparastekdhsipportrgparastekdharemnmzedMegapack冷卻系統(tǒng)內(nèi)的冷卻液是水和乙二醇此次事故的原因?qū)τ趦δ芟到y(tǒng)火災(zāi)的處置也具有重要的啟示作用，對于儲能系統(tǒng)初期火災(zāi)，必須采用絕緣性良好的滅火劑，采用水作為滅火劑的滅火方式，例如水噴淋、高壓細水霧等都是不適合國外儲能電站火災(zāi)事故(美國)2021年9月4日，美國加州MossLanding一期項目因電池的水系降溫系統(tǒng)啟動導(dǎo)致該項目約7%的電池模組和其它系統(tǒng)設(shè)備造成損失；2月13日晚上，該系統(tǒng)再次發(fā)生事故，大約有10個電池架被熔化。事故原因：●系統(tǒng)設(shè)計要求在早期煙霧探測裝置(VESDA)檢測到一定程度的煙霧后，將水釋放到特定區(qū)域的集水管。在釋放到集水管后，如果電池模組的溫度足夠高，激活該模組的噴嘴，并對電池模組進行噴淋；●9月4日，VESDA裝置在64、57、47和41號集裝箱附近探測到煙霧，導(dǎo)致水在24號預(yù)作用區(qū)釋放，但調(diào)查認為電池模組不是煙霧的來源；●電池降溫系統(tǒng)一部分的軟管和管道上的少量接頭發(fā)生故障，導(dǎo)致水噴到電池機架上，進而導(dǎo)致短路和2019年6月11日，韓國政府公布23起儲能電站火災(zāi)事故調(diào)查結(jié)果，電池未構(gòu)成失火原因?！耠姄舯Ｗo系統(tǒng)不良；●運營操作環(huán)境管理不善；●安裝疏忽；●儲能系統(tǒng)集成控制(EMS,PCS)保護系統(tǒng)管理不善。電網(wǎng)故障、雷擊等對儲能系統(tǒng)的影響不容忽視!北京“4.16”儲能電站火災(zāi)美國亞利桑那州麥克米肯儲能系統(tǒng)火災(zāi)鋰離子電池火災(zāi)中可燃氣體燃爆事故不容忽視!水等非絕緣性介質(zhì)造成的儲能系統(tǒng)短路風(fēng)險不容忽視!電網(wǎng)故障、雷擊等對儲能系統(tǒng)的影響不容忽視!●易蔓延：儲能系統(tǒng)的火災(zāi)往往都是由一個電池的熱失控、燃燒而引發(fā)的，一個電池的燃燒會在數(shù)十秒內(nèi)迅速引燃周圍電池，造成火災(zāi)從一個電池蔓延到一個電池模組，繼而蔓延到整個儲能系統(tǒng)；●易復(fù)燃：電池火災(zāi)是由于電池內(nèi)部熱失控引發(fā)的，電池明火撲滅后，內(nèi)部的熱失控反應(yīng)并未停止，反應(yīng)仍在持續(xù)進行，持續(xù)放熱，所以極易引發(fā)電池再次燃燒，即復(fù)燃現(xiàn)象。從已經(jīng)發(fā)生的火災(zāi)事故來看，電池發(fā)生復(fù)燃的時間從幾個小時到十幾個小時不等；●易燃爆：電池發(fā)生火災(zāi)時，在燃燒的同時會釋放大量的可燃氣體，如CO、H2等，這些可燃氣體達到一定濃度時，極易發(fā)生爆炸。鋰離子電池安全問題原因解析激源外因預(yù)外因預(yù)警防護安全問題防控措施防控措施欠缺鋰離子電池安全問題原因解析熱失控放熱熱失控反應(yīng)正負極反應(yīng)熱濫用熱濫用SEI膜分解與重生文LiPF分陶瓷涂層隔膜崩潰3鋰離子電池儲能安全防控措施3鋰離子電池儲能安全防控措施儲能系統(tǒng)集成和應(yīng)用高安全電池本體配套設(shè)施過程安全管理高安全電池本體配套設(shè)施施工安裝場站設(shè)計通風(fēng)空調(diào)防護技術(shù)電池組、電池簇(柜)、預(yù)電池組、電池簇(柜)、預(yù)消防技術(shù)消防技術(shù)鋰離子電池儲能安全鋰離子電池儲能安全儲能電站主動安全防控體系能夠判斷電池異常狀態(tài)(SOC、溫度、漏液),并根據(jù)電池異常狀態(tài)的嚴重性進行分級報警防止電池狀態(tài)估計不準確、信號線電磁干擾造成的誤判斷、誤報警對于電池的熱失控能做出提前預(yù)判對于故障電池的位置能做出有效辨識，根據(jù)預(yù)警信息快速定位預(yù)警技術(shù)現(xiàn)狀◆電池過充◆電池過放◆電池過熱◆電池自引發(fā)內(nèi)短路◆電池破損漏液◆長期使用絕緣性降低◆負極鋰枝晶生長◆電池內(nèi)部副反應(yīng)加劇>單體電壓監(jiān)控>單體溫度監(jiān)控>單體溫升監(jiān)控>狀態(tài)估計算法>絕緣檢測>超聲檢測光纖壓力檢測→適用場景及有效性→有待檢驗!充電負載放電充電負載放電---功率流信號流安全管理狀態(tài)計算能量管理熱管理→通信功能繼電器采集溫度均衡電路電池組接口←基于運行數(shù)據(jù)解析挖掘的隱患預(yù)警技術(shù)●中國電科院基于多年儲能電池不同工況下的性能測試和儲能電站長期運行數(shù)據(jù)，建立了儲能電池安區(qū)時間電壓電流溫度安全狀態(tài)評估軟件安全狀態(tài)評估軟件一致性離散情況過電壓時電池底部外殼被擊穿，釋放出大量煙氣甚至燃燒；電池故障強度與過電壓施加方式有關(guān)。故障后，磷酸鐵鋰電池形貌底面擊穿安全閥破煙霧噴射噴射結(jié)束底面擊穿底部擊穿散發(fā)煙氣煙氣消散不同過電壓施加方式下電池故障圖像24電池故障過程溫度特征分析-200400800801—T——TTT0TTTTe—es200440000消防安全電池火災(zāi)專用滅火技術(shù)抑制煙氣，防止爆炸火介質(zhì)長時間(24h)抑制復(fù)燃、爆炸國毒物質(zhì)腔制法離名錄(TSCA)美國◎e列入合新西三化字品名景(NZOC)已列入群律賓化掌品和化學(xué)物所名錄PICCS)澳大利亞工業(yè)化學(xué)品名蒙(AIC)◎已入加拿大國內(nèi)物質(zhì)名類(DSL)加拿大肆國內(nèi)物質(zhì)名錄(NDSL)◎已列入◎己列入紹△自綜集●全氟己酮已被美國列入TSCA●全氟己酮已被美國列入TSCA(有毒物質(zhì)控制法案)名錄，通過EPA(美國環(huán)保署)官網(wǎng)可以查詢到全氟己酮在TSCA名錄中?！馩ECD(經(jīng)濟合作與發(fā)展組織)已將全氟己酮列入PFAS(含有至少一個全氟化碳原子的有機化合物)名錄，被認為具有污染性和危害性。七氟丙烷全氟己酮二氧化碳干粉滅火機理化學(xué)抑制化學(xué)抑制&降溫窒息窒息&化學(xué)抑制滅火時間電池最大降溫速率滅火后電池持續(xù)升溫時間滅火后電池最高溫度是否復(fù)燃是是是是復(fù)燃時間滅火后清理難易容易容易容易困難滅火劑推薦度★七氟丙烷和全氟己酮對磷酸鐵鋰電池的滅火效果較好，但七氟丙烷和全氟己酮對磷酸鐵鋰電池的滅火效果較好，但單一種類滅火劑均無法有效抑制磷酸鐵鋰電池復(fù)燃現(xiàn)象的發(fā)生?！翡囯x子電池火災(zāi)專用滅火劑◆鋰離子電池火災(zāi)專用滅火劑◆數(shù)秒內(nèi)快速撲滅明火◆400℃以下不分解，對其它未著火電池和環(huán)境危害小5.7.6,自動滅火系統(tǒng)的最小保護單元應(yīng)為電池模塊，每個電池模塊宜單獨配置探測器和滅火介質(zhì)噴頭?！艨焖俑兄?gt;電、熱、煙、氣多參量采集>健康狀態(tài)及火災(zāi)階段實時研判>模組、組串、系統(tǒng)多級監(jiān)測與管道布局>定制化控制邏輯與滅火策略>自動判定、自動啟動>10秒內(nèi)撲滅明火，24小時不復(fù)燃采用采用模塊級消防策略，對于初期火災(zāi)采取快速感知，定向精準滅火，并采用復(fù)燃抑制劑長時間抑制電池復(fù)燃與可燃氣體釋放。鋰離子電池鋰離子電池儲能系統(tǒng)自動滅火裝置已通過國家消防裝備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的檢測。委托檢驗國家消防裝備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢驗報告Zb202060033共02頁第01頁中國電力科學(xué)研究院有雕會司商中國電力科學(xué)研究院有限公司國電力科學(xué)研究熊有限公司檢自情況檢驗情況臭《袖驗結(jié)票匯總》。事注NoZb202060033NoZb202060033檢驗項目結(jié)肺平整，噴頭及管路各處無劃維。孩，能夠維持需置整體良好的氣密性，無溫氣、有清頤明確且不易報壞的標識，天火禁國得再自動啟動功軸德酸恢管舉體電油盟號：LFPbh/3.2Y.標稱容量：66h,形稱電壓：1.2Vde.頁火試驗中引燃的電池模族標稱電壓為32v,新定容量為1電池組成，電池模塊荷電狀態(tài)為100%500,加熱對象為電池橫塊(編號：88-5)納第一錦中黑塊單體電池.其兩側(cè)分附布重1片7508電加熱椎。20尺儲能集裝箱內(nèi)部尺寸：長：5930m案：2350m離：270寸：長：54=翼：651m高：2488m;電地橫塊尼寸：長：44在：277=.國家消防裝備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心●滅火裝置在滅火劑開始噴射后4.35s撲滅電池火災(zāi)；●復(fù)燃抑制劑噴射電池未復(fù)燃。滅火裝置工程化應(yīng)用中同時需要兼顧消防滅火裝置工程化應(yīng)用中同時需要兼顧消防應(yīng)用案例●浙江省某儲能工程●某國有研究所艦(船)用電池系統(tǒng)鋰離子電池燃爆測試及可燃氣體收集裝置LFP電池?zé)崾Э貧怏w體積分數(shù)0絮氣別0—HF—H?勒夏特列改進公式：L為可燃氣體混合物的爆炸極限(上限/下限);V;為可燃氣體混合物各組分的含量，%(V);L;為可燃氣體混合物各組分的爆炸極限(上限/下限)。無論何種數(shù)量和位置的電池?zé)崾Э?，電池簇?~2層電池模塊內(nèi)的可燃氣體濃度都660L——24塊電池—48塊電池-24塊電