锂离子电池储能安全问题解析及体系化防控技术

杨凯副总工教授级高工锂离子电池安全问题原因解析锂离子电池安全问题原因解析2021年4月16日，丰台区南四环永外大红门西马厂甲14号院内发生火情，在对电站南区进行处置过程中，电站北区在毫无征兆的情况下突发爆炸，导致2名消防员牺牲，1名消防员受伤，电站内1名员工失联。2017年、2018年，山西、江苏也发生过储能电站火灾事故。342021年4月16日11时50分许，位于丰台区西马场甲14号的北京福威斯油气技术有限公司(以下简称福威斯油气公司)光储充一体化项目发生火灾爆炸，事故造成1人遇难、2名消防员牺牲、1名消防员受伤，火灾直接财产损失1660.81万元。事故发生后，市委、市政府和应急管理部高度重视，相关领导第一时间赶赴事故现场，指挥部署灭火救援和事故调查处理工作。依据《中华人民共和国突发事件应对法》《中华人民共和国消防法》等有关法律法规，参照《生产安全事故报告和调查处理条例》相关规定，市政府成立由市应急局、市公安局、市发展改革委、市总工会、市人力资源社会保障局、市消防救援总队和丰台区政府组成的火灾事故调查组，并邀请市纪委市监委同步参与，全面开展事故调查处理工作。调查组委托应急管理部消防救援局天津火灾物证鉴定中心、清华大学车辆与运载学院电池安全实验室、中国建筑科学研究院建筑防火研究所、北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室、北京市理化分析测试中心对有关南楼起火直接原因系西电池间内的磷酸铁锂电池发生内短北楼爆炸直接原因为南楼电池间内的单体磷酸铁锂电池发生内短路故障，引发电池及电池模组热失控扩散起火，事故产生的易燃易爆组分通过电缆沟进入北楼储能室并扩散，与空气混合形成爆炸性气体，遇电气火花发生爆炸。国外储能电站火灾事故(美国)2019年4月19日，美国亚利桑那州，2MW/2.47MWh锂电储能系统发生着火亚利桑那州公共服务部门也在此次事件后停止了其在电网上安装850兆瓦电池存储的计划。5国外储能电站火灾事故(美国)时间rack15,module2,battery7的电池电压下降0.24V(4.06降至3.82V)rack15的整体电压下降3.8V(799.9降至796.1V),BMS丢失模块级别数据BESS烟雾警报器1和2激活，消防系统触发多个断路器断开(路器，逆变器交流接触器，主交流断路器)检测到接地故障灭火系统释放Novec1230灭火剂(根据设计，距离警报时间延迟30秒)APS与Fluence联系以确认灭火系APS向现场派遣了一个服务工程师Fluence现场服务工程师致电911报告可疑火灾APS通知911结束数据收集和停止远程通信(结束主服务器和通备用电源)消防部门到达时间应急人员打开的集装箱前门爆炸发生储能与电力市场翻译储能与电力市场《麦克米肯电池储能系统事件的技术分析及建议》2020年7月18日，亚利桑那公共服务部门发布●可疑火灾实际上是一次广泛的级联热失控事件，由BESS的一个电池单元内的内部电池故障引发(cellpair7,●在合理的科学确定性范围内，可以认为这种故障是由电池内部缺陷导致，特别是异常的锂金属沉积和树突状生长。●电池储能系统中安装的清洁剂灭火系统在事故发生时早期按照设计运行。但是，清洁剂灭火系统的设计是为了扑灭普通可燃物中的初期火灾。此类系统无法防止或阻止电池储能系统中的级联热失控。●电池单元之间缺乏足够的隔热层保护，促进了热失控通过热传递在rack15中传播，隔热层保护可能会阻止或减慢热失控的传播。●在Rack15中发生的级联热热失控导致在电池储能系统中产生了大量的可燃气体。●在热失控开始后大约三个小时，消防员打开了电池储能系统的大门，导致爆炸。国外储能电站火灾事故(澳大利亚)2021年7月30日上午，“维多利亚大电池”项目的一个特斯拉Megapack电池集装箱发生火灾，该集装箱的火势引燃了与之背靠背安装的另一个Megapack电池集装箱，8月4日，经过4天多的燃烧，现场火灾得到基本控制，据媒体报道，事故未造成人员伤亡。8REPORTOFTECCASEYGRANT,PE,SENORCONSULTAGEORGEHDUGH,SENIORCONSowcanwehelpyouowcanwehelpyouHomeLicensrgandcOESHomeLicensrgandcOESTechskainonutonSuleyandr~wtnrgysafewetara1M)athesuakeyrepderhreeQn1.oury2071ESVbecareatowegerpoecomrisinpoihdoduthethArecemmenatonalthe2018RovraireoVeteneDetctyreouorypowpoatyheldbyteDreA0o5onytneCoevnssonwbesugponedtbytveaNsoycomnees此次火灾事件最有可能的根本原因是此次火灾事件最有可能的根本原因是MP-1电池储能单元的液体冷却系统泄漏导致电池模块产生电弧。这导致锂离子电池发生热失控，随即起火，在火灾发生时，从MP-1集装箱的顶部喷出的火焰受到风力的显著影响，火焰从MP-1顶部推向MP-2顶部，MP-2在火焰灼烧下点燃了内部组件，并进一步引发起火燃烧。9boplouedceoingandhoatngsstamtratherthanarcoolnghenslmansementsstomeonitasconyprcónpononitswcoolirftubesThethewtoymacessblofrseracngfomgrthuatcodtheetyhneglyeol/watheneracvkofcooianttubesafowscoobnetobechanekedowwechtryomhumononiscnaolnymentanandhognirngtooptninegperstiufeleovicyandmurvethelretinieortheceKheoughbotcreyanfcMthetangcontrastcurypcalyroqurebenchependertVACsstertomarmnbatterydegrochationgroolorpowsohurtineohanrequretruHcrioryyconTpponhomthegrktbolioyngoontanircodsolurionthineamuchhgborconalystemnoundtrp*fficiencietSinceTetayatthecoieoetthermobosestothesuroutdingesipportrgparastekdhsipportrgparastekdharemnmzedMegapack冷却系统内的冷却液是水和乙二醇此次事故的原因对于储能系统火灾的处置也具有重要的启示作用，对于储能系统初期火灾，必须采用绝缘性良好的灭火剂，采用水作为灭火剂的灭火方式，例如水喷淋、高压细水雾等都是不适合国外储能电站火灾事故(美国)2021年9月4日，美国加州MossLanding一期项目因电池的水系降温系统启动导致该项目约7%的电池模组和其它系统设备造成损失；2月13日晚上，该系统再次发生事故，大约有10个电池架被熔化。事故原因：●系统设计要求在早期烟雾探测装置(VESDA)检测到一定程度的烟雾后，将水释放到特定区域的集水管。在释放到集水管后，如果电池模组的温度足够高，激活该模组的喷嘴，并对电池模组进行喷淋；●9月4日，VESDA装置在64、57、47和41号集装箱附近探测到烟雾，导致水在24号预作用区释放，但调查认为电池模组不是烟雾的来源；●电池降温系统一部分的软管和管道上的少量接头发生故障，导致水喷到电池机架上，进而导致短路和2019年6月11日，韩国政府公布23起储能电站火灾事故调查结果，电池未构成失火原因。●电击保护系统不良；●运营操作环境管理不善；●安装疏忽；●储能系统集成控制(EMS,PCS)保护系统管理不善。电网故障、雷击等对储能系统的影响不容忽视!北京“4.16”储能电站火灾美国亚利桑那州麦克米肯储能系统火灾锂离子电池火灾中可燃气体燃爆事故不容忽视!水等非绝缘性介质造成的储能系统短路风险不容忽视!电网故障、雷击等对储能系统的影响不容忽视!●易蔓延：储能系统的火灾往往都是由一个电池的热失控、燃烧而引发的，一个电池的燃烧会在数十秒内迅速引燃周围电池，造成火灾从一个电池蔓延到一个电池模组，继而蔓延到整个储能系统；●易复燃：电池火灾是由于电池内部热失控引发的，电池明火扑灭后，内部的热失控反应并未停止，反应仍在持续进行，持续放热，所以极易引发电池再次燃烧，即复燃现象。从已经发生的火灾事故来看，电池发生复燃的时间从几个小时到十几个小时不等；●易燃爆：电池发生火灾时，在燃烧的同时会释放大量的可燃气体，如CO、H2等，这些可燃气体达到一定浓度时，极易发生爆炸。锂离子电池安全问题原因解析激源外因预外因预警防护安全问题防控措施防控措施欠缺锂离子电池安全问题原因解析热失控放热热失控反应正负极反应热滥用热滥用SEI膜分解与重生文LiPF分陶瓷涂层隔膜崩溃3锂离子电池储能安全防控措施3锂离子电池储能安全防控措施储能系统集成和应用高安全电池本体配套设施过程安全管理高安全电池本体配套设施施工安装场站设计通风空调防护技术电池组、电池簇(柜)、预电池组、电池簇(柜)、预消防技术消防技术锂离子电池储能安全锂离子电池储能安全储能电站主动安全防控体系能够判断电池异常状态(SOC、温度、漏液),并根据电池异常状态的严重性进行分级报警防止电池状态估计不准确、信号线电磁干扰造成的误判断、误报警对于电池的热失控能做出提前预判对于故障电池的位置能做出有效辨识，根据预警信息快速定位预警技术现状◆电池过充◆电池过放◆电池过热◆电池自引发内短路◆电池破损漏液◆长期使用绝缘性降低◆负极锂枝晶生长◆电池内部副反应加剧>单体电压监控>单体温度监控>单体温升监控>状态估计算法>绝缘检测>超声检测光纤压力检测→适用场景及有效性→有待检验!充电负载放电充电负载放电---功率流信号流安全管理状态计算能量管理热管理→通信功能继电器采集温度均衡电路电池组接口←基于运行数据解析挖掘的隐患预警技术●中国电科院基于多年储能电池不同工况下的性能测试和储能电站长期运行数据，建立了储能电池安区时间电压电流温度安全状态评估软件安全状态评估软件一致性离散情况过电压时电池底部外壳被击穿，释放出大量烟气甚至燃烧；电池故障强度与过电压施加方式有关。故障后，磷酸铁锂电池形貌底面击穿安全阀破烟雾喷射喷射结束底面击穿底部击穿散发烟气烟气消散不同过电压施加方式下电池故障图像24电池故障过程温度特征分析-200400800801—T——TTT0TTTTe—es200440000消防安全电池火灾专用灭火技术抑制烟气，防止爆炸火介质长时间(24h)抑制复燃、爆炸国毒物质腔制法离名录(TSCA)美国◎e列入合新西三化字品名景(NZOC)已列入群律宾化掌品和化学物所名录PICCS)澳大利亚工业化学品名蒙(AIC)◎已入加拿大国内物质名类(DSL)加拿大肆国内物质名录(NDSL)◎已列入◎己列入绍△自综集●全氟己酮已被美国列入TSCA●全氟己酮已被美国列入TSCA(有毒物质控制法案)名录，通过EPA(美国环保署)官网可以查询到全氟己酮在TSCA名录中。●OECD(经济合作与发展组织)已将全氟己酮列入PFAS(含有至少一个全氟化碳原子的有机化合物)名录，被认为具有污染性和危害性。七氟丙烷全氟己酮二氧化碳干粉灭火机理化学抑制化学抑制&降温窒息窒息&化学抑制灭火时间电池最大降温速率灭火后电池持续升温时间灭火后电池最高温度是否复燃是是是是复燃时间灭火后清理难易容易容易容易困难灭火剂推荐度★七氟丙烷和全氟己酮对磷酸铁锂电池的灭火效果较好，但七氟丙烷和全氟己酮对磷酸铁锂电池的灭火效果较好，但单一种类灭火剂均无法有效抑制磷酸铁锂电池复燃现象的发生。◆锂离子电池火灾专用灭火剂◆锂离子电池火灾专用灭火剂◆数秒内快速扑灭明火◆400℃以下不分解，对其它未着火电池和环境危害小5.7.6,自动灭火系统的最小保护单元应为电池模块，每个电池模块宜单独配置探测器和灭火介质喷头。◆快速感知>电、热、烟、气多参量采集>健康状态及火灾阶段实时研判>模组、组串、系统多级监测与管道布局>定制化控制逻辑与灭火策略>自动判定、自动启动>10秒内扑灭明火，24小时不复燃采用采用模块级消防策略，对于初期火灾采取快速感知，定向精准灭火，并采用复燃抑制剂长时间抑制电池复燃与可燃气体释放。锂离子电池锂离子电池储能系统自动灭火装置已通过国家消防装备质量监督检验中心的检测。委托检验国家消防装备质量监督检验中心检验报告Zb202060033共02页第01页中国电力科学研究院有雕会司商中国电力科学研究院有限公司国电力科学研究熊有限公司检自情况检验情况臭《袖验结票汇总》。事注NoZb202060033NoZb202060033检验项目结肺平整，喷头及管路各处无划维。孩，能够维持需置整体良好的气密性，无温气、有清颐明确且不易报坏的标识，天火禁国得再自动启动功轴德酸恢管举体电油盟号：LFPbh/3.2Y.标称容量：66h,形称电压：1.2Vde.页火试验中引燃的电池模族标称电压为32v,新定容量为1电池组成，电池模块荷电状态为100%500,加热对象为电池横块(编号：88-5)纳第一锦中黑块单体电池.其两侧分附布重1片7508电加热椎。20尺储能集装箱内部尺寸：长：5930m案：2350m离：270寸：长：54=翼：651m高：2488m;电地横块尼寸：长：44在：277=.国家消防装备质量监督检验中心●灭火装置在灭火剂开始喷射后4.35s扑灭电池火灾；●复燃抑制剂喷射电池未复燃。灭火装置工程化应用中同时需要兼顾消防灭火装置工程化应用中同时需要兼顾消防应用案例●浙江省某储能工程●某国有研究所舰(船)用电池系统锂离子电池燃爆测试及可燃气体收集装置LFP电池热失控气体体积分数0絮气别0—HF—H₂勒夏特列改进公式：L为可燃气体混合物的爆炸极限(上限/下限);V;为可燃气体混合物各组分的含量，%(V);L;为可燃气体混合物各组分的爆炸极限(上限/下限)。无论何种数量和位置的电池热失控，电池簇第1~2层电池模块内的可燃气体浓度都660L——24块电池—48块电池-24块电