“2020儲能安全國際高峰論壇”由合肥市科學(xué)技術(shù)局、合肥高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區管理委員會(huì )指導，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室和安徽中科中渙防務(wù)裝備技術(shù)有限公司主辦，中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟、國網(wǎng)安徽省電力有限公司和杭州高特電子設備股份有限公司協(xié)辦，會(huì )上，歐盟科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授孫金華發(fā)表了題為“電化學(xué)儲能電站安全保障技術(shù)”的主題演講，分別從電化學(xué)儲能電站發(fā)展及火災形勢、國家儲能發(fā)展的現狀、鋰離子電池著(zhù)火機理與火災特性、電化學(xué)儲能電站火災安全技術(shù)進(jìn)展、技術(shù)展望五個(gè)方面進(jìn)行闡釋。

電化學(xué)儲能電站發(fā)展及火災形勢

儲能是各個(gè)國家的戰略重要組成部分，也是能源互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要環(huán)節，所以，世界上各個(gè)國家都非常重視儲能，據統計，到2019年底，全球已投入的儲能項目，累計裝機規模達到了184.6GW，尤其電化學(xué)儲能發(fā)展非常迅速。

在電化學(xué)儲能當中，鋰電池裝機規模最大，占電化學(xué)儲能的81%，國際上如美國從2007年開(kāi)始就陸續頒布了許多法令，來(lái)推動(dòng)電化學(xué)儲能的發(fā)展。歐盟也投入了巨資，例如2018年6月，在歐盟的地平線(xiàn)計劃當中，投資150億歐元，來(lái)支持可再生能源儲存和有競爭力的產(chǎn)業(yè)鏈。我們的鄰國在儲能，尤其是電化學(xué)儲能走在世界的前列，韓國相應的儲能企業(yè)在全球電化學(xué)儲能市場(chǎng)上已經(jīng)占據了舉足輕重的地位。

國家儲能發(fā)展的現狀

我們國家這幾年發(fā)展速度非常迅猛，未來(lái)也會(huì )以類(lèi)似指數級的增長(cháng)態(tài)勢。但是隨著(zhù)全球電化學(xué)儲能的快速發(fā)展，也帶來(lái)了一些安全隱患，韓國在2018年5月到2019年5月，短短一年左右的時(shí)間，有一千多座電化學(xué)儲能電站，總共發(fā)生23起火災，每座年發(fā)生火災概率達到1.5%，這是不可接受的概率。

我們國家這幾年儲能電站也在蓬勃發(fā)展，也發(fā)生了一系列的儲能電站火災，例如2017年，山西某火力發(fā)電廠(chǎng)儲能系統發(fā)生大火。2018年，總投資1.9億元的鎮江揚中儲能電站的火災。發(fā)電側、電網(wǎng)側、用戶(hù)側都已經(jīng)相繼陸陸續續有各類(lèi)火災的發(fā)生，應該說(shuō)儲能電站的火災為電化學(xué)行業(yè)的發(fā)展敲響警鐘，因此2019年國家電網(wǎng)兩次對電化學(xué)儲能踩了急剎車(chē)，主要的原因是安全問(wèn)題沒(méi)有得到徹底解決。如何解決瓶頸問(wèn)題，保障電化學(xué)儲能行業(yè)的安全健康發(fā)展，這是學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界和各位同仁需要面臨和解決的問(wèn)題。

鋰離子電池著(zhù)火機理與火災特性

為了搞清楚電池發(fā)生火災的機理和規律，首先研究了電池系統各個(gè)材料，單一材料的分解反應特性，材料和材料之間的化學(xué)反應特性、產(chǎn)熱機理，這個(gè)地圖顯示的是正極材料與電解液的反應，大概140多度就開(kāi)始有放熱反應存在，250多度時(shí)，放熱非常劇烈。這是負極材料與電解液的反應，峰值溫度在90度左右就發(fā)生放熱反應。到達150度以上就會(huì )放出大量的熱量。

整個(gè)電池體系，包括正極材料、負極材料、電解液等，這些物質(zhì)的綜合反應是一個(gè)非常復雜的過(guò)程。根據反應綜合曲線(xiàn)，再結合數理化算法、單個(gè)物質(zhì)的反應、反應中間產(chǎn)物的測量，就可以把復雜的反應分解成多種分反應，可以得到每個(gè)分反應的開(kāi)始反應熱度，它的放熱量等，從而找出哪個(gè)反應是誘發(fā)電池著(zhù)火的反應，哪一個(gè)反應是控制電池著(zhù)火的主控反應。

通過(guò)化學(xué)方面的研究發(fā)現，發(fā)生化學(xué)反應需要達到八九十度，電池系統正常的使用溫度是常溫，在電池使用過(guò)程中，無(wú)論單個(gè)電池，還是電池系統，都會(huì )在充放電過(guò)程中放熱，熱量如果不及時(shí)導出，會(huì )使電池系統溫度升高到發(fā)生化學(xué)反應的臨界溫度，從而誘發(fā)化學(xué)反應。我們把鋰離子電池發(fā)生火災甚至爆炸事故的歷程以及跟溫度的關(guān)系做了這個(gè)圖，首先是循環(huán)產(chǎn)熱，這是物理的熱量，從而誘發(fā)化學(xué)反應。

為研究電池著(zhù)火的火災特性，為此我們設計了一個(gè)基于ISO9705的標準的大型鋰離子電池火災危險測試平臺。在這個(gè)平臺上進(jìn)行50-310AH的試驗，首先電池在失控之前會(huì )膨脹，達到一定界值以后會(huì )出現第一次噴射火，如果這個(gè)電池是一個(gè)高SOC的，它會(huì )發(fā)生多次噴射火現象，直到里面的材料燃盡。同時(shí)我們利用自己搭建的平臺，對不同類(lèi)型的電池發(fā)熱量進(jìn)行了測量，得到了熱射放速率和射放量的數據。

同時(shí)，國外的學(xué)者利用氣相色譜與ACR得到了它噴射過(guò)程中產(chǎn)生的氣體的含量，這些氣體釋放到空間都會(huì )在氣相發(fā)生火災。但是電池熱失控的時(shí)候，不僅僅會(huì )產(chǎn)生這些氣體，用不同方法測量會(huì )得到不同的氣體。

除了做單個(gè)電池的特性以外，同時(shí)還做了電池組的火災蔓延的情況。比如對四個(gè)電池模組做的試驗的情況，同時(shí)測了它的熱射放速率，對二號電池進(jìn)行加熱，一號、三號、四號不加熱，二號電池著(zhù)火以后，發(fā)生的火災會(huì )對周?chē)碾姵剡M(jìn)行加熱，一段時(shí)間以后，三號電池發(fā)生著(zhù)火，隔二十分鐘左右，一號、四號電池發(fā)生爆炸，當然這個(gè)發(fā)生爆炸不是所有的電池都發(fā)生爆炸，磷酸鐵鋰電池相對安全一些。

對組裝的九個(gè)電池溫度狀況進(jìn)行了詳細測量，同時(shí)也對方形電池，進(jìn)行了系統的試驗研究，大量測量了前表面、后表面、后面等的溫度，有了這些溫度，再結合傳熱模型，就建立了電池模組的內部熱失控的傳播模型，也揭示了他們的傳播機制。

電化學(xué)儲能電站火災安全技術(shù)問(wèn)題

現在電儲能火災很多，原因有這么幾個(gè)：

1、缺乏適用電化學(xué)儲能電站的消防設計規范。目前這個(gè)規范是2014年發(fā)布的，在消防規范里面提了應符合國標50016建筑設計防火規范，電化學(xué)儲能和建筑是有天壤之別的，誘發(fā)火災的因素不一樣，火災的形態(tài)也不一樣。有的地方要求應根據國標配置消防器等，沒(méi)有完全根據電化學(xué)儲能電站的特性、危險性、風(fēng)險制定相應的規范。后來(lái)出臺《小型儲能電站消防安全技術(shù)條件》，這里面也有一些消防的要求，但是距真正的電化學(xué)儲能電站消防要求還是差距巨大。

2、缺乏對電池的異常診斷、電池熱失控預測預警技術(shù)。電化學(xué)儲能電站的BMS系統控制整個(gè)電池系統的溫度，盡量延長(cháng)電池的壽命，提高電池的使用效率。但是若某些電池發(fā)生故障，也會(huì )誘發(fā)火災，對于這樣異常事故的預測預警技術(shù)，目前是缺乏的。在強制規定下，現在的滅火藥劑有的采用水系，更多的采用七氟丙烷，水系滅火效果較好，用在單個(gè)電池的滅火是沒(méi)問(wèn)題的，因為單個(gè)電池在出廠(chǎng)之前都要進(jìn)行親水試驗；但是用在電池模組上就存在問(wèn)題，電池進(jìn)行串并聯(lián)以后，輸出電壓從幾百伏到上千伏的電壓，如果使用水系滅火劑，可能會(huì )造成外部短路，誘發(fā)火災。

比較之下，七氟丙烷的滅火效果更為良好，但是由于電池火災的根本是在電池內部的化學(xué)反應，如果對它滅火僅僅把氣相火焰滅了，電池內部化學(xué)反應速度不降低，火災是難以撲滅的。所以它不具備防治電池復燃的功能，同時(shí)也是一次噴灑，一旦當電池二次或三次復燃，無(wú)法阻燃。

電化學(xué)儲能電站火災安全技術(shù)進(jìn)展

1、電化學(xué)儲能電站火災安全設計規范正在修改，現在的規范并不是拍腦袋得來(lái)的，它是基于電芯以及模組的火災性能，以及電池模組之間的火焰的傳播性能，還有預測預警技術(shù)的試驗來(lái)進(jìn)行電化學(xué)儲能電站的規范修改，這對我們電化學(xué)儲能安全有一個(gè)指導的意義。同時(shí)高效熱管理與準確可靠熱失控預警的技術(shù)也在發(fā)展，主要是根據電化學(xué)性能，以及循環(huán)產(chǎn)熱的特性，還有電池的傳熱，電池與電池之間的傳熱特性，進(jìn)行BMS的優(yōu)化。另一個(gè)方面，根據電池熱失控的一些試驗，來(lái)提取熱失控過(guò)程中的關(guān)鍵的參數，這些參數往往是多參數融合的結果，可以甄別出哪些用來(lái)預測預警，對它進(jìn)行智能判斷，從而研發(fā)出具有高效的熱管理和可靠的預警技術(shù)。

2、高效熱管理與準確可靠的熱失控預測預警技術(shù)。

通過(guò)溫度、CO等、煙霧、火焰、VOC、電阻電壓，基于判斷進(jìn)行分級預警，一級要進(jìn)行故障預警，二級要干預，三級要滅火等。這些特性參數是根據不同類(lèi)型的電池，以及不同SOC狀態(tài)的電池來(lái)對它進(jìn)行過(guò)充、外短路、內短路、環(huán)境加熱等，得出使它熱失控、表觀(guān)的參數，再結合電池的結構和傳熱模型，從而得到電池多參數融合的預警參數閾值。

3、快速精準滅火與抗復燃技術(shù)。團隊對不同的滅火藥劑，例如水、七氟丙烷、二氧化碳、氣溶膠等這些滅火藥劑進(jìn)行了系統的試驗，從這些滅火的試驗來(lái)看，七氟丙烷滅火效果較好，二氧化碳稍弱。如果電池模組使用水系滅火，要防止產(chǎn)生短路，對滅火器要求快速滅火、高效冷卻，而且冷卻、絕緣。對滅火技術(shù)要求防止復燃，兼具多次滅火的功能。為此，在這里主要是通過(guò)滅火劑來(lái)實(shí)現，我們推薦全氟己酮，方法是首次快速釋放，而后多次緩釋解決降溫和復燃問(wèn)題。這個(gè)技術(shù)在中科中渙得到了產(chǎn)業(yè)化，在今年得到了2020儲能技術(shù)創(chuàng )新典范TOP10的大獎。

最后是技術(shù)展望?，F在的技術(shù)進(jìn)展，應該從以下兩個(gè)方面展開(kāi)。

1、集高效熱管理、故障診斷、預警和滅火協(xié)同的一體化技術(shù)。首先把電化學(xué)儲能電站通過(guò)各類(lèi)傳感器，以及基礎數據通過(guò)輸入接口輸入到系統里，系統里有熱管理模型、預測預警模型、處置滅火模型，根據這些模型的智能運算，對數據進(jìn)行處理和智能判斷，如果是正常運維，就發(fā)出指令正常運維，如果異常，就對它進(jìn)行處置，而且這個(gè)系統一定要智能化、小型化、輕量化、節約化。

2、發(fā)展基于互聯(lián)網(wǎng)云數據下的智能安全管理技術(shù)。不僅是某一個(gè)儲內能電站的儲能柜，實(shí)際上要把全國的數據都要收集起來(lái)，在互聯(lián)網(wǎng)以及云數據情況下進(jìn)行智能管理，在智能安全管理平臺基礎上，還要有基礎數據、預測模型、實(shí)施監測監控的傳感器，同時(shí)對它進(jìn)行智能分析，最后來(lái)保障我們整個(gè)行業(yè)的儲能電站的安全。

預告：2021年8月25日至28日，在合肥將要舉辦第二屆國際鋰離子電池的安全研討會(huì )，第一屆是去年在合肥成功舉辦，參會(huì )人員接近三百人，包括十幾個(gè)國家和地區，同時(shí)與一些著(zhù)名的火災安全方面的期刊合作，把優(yōu)秀的論文進(jìn)行發(fā)表。