鋰電池儲能電站消防安全現狀及火災防控對策研究

摘要：鋰電池儲能電站作為新型清潔能源設施之一，因其具有高效性、可靠性及可持續性等諸多優勢而被廣泛應用。由于鋰電池火災的特殊性，鋰電池儲能電站火災防控成為新的課題。為提高鋰電池儲能電站火災防控的有效性，本文分析了鋰電池儲能電站火災發生的原因及消防安全現狀，并提出了火災防控對策，以期為鋰電池儲能電站火災防控提供參考。

關鍵詞：鋰電池；儲能電站；消防現狀；火災防控

引言

隨著信息技術、數字化技術及人工智能等深入發展，對能源的需求不斷增加。傳統石油、煤等非再生能源不斷減少枯竭，同時帶來的環境污染及氣候變化問題日益嚴重。風能、太陽能、生物能等可再生能源具有低碳、環保、可持續發展等優勢，其開發利用正受到世界各國的高度關注和重視，被認為是未來能源發展的主要方向。近年來，我國新型儲能發展進入快車道，據國家能源局統計數據，在裝機容量方面，截至2023年6月，全國已建成投運的新型儲能項目累計裝機超1430萬千瓦；在投資規模方面，“十四五”以來，新型儲能裝機項目極大地帶動了經濟投資發展，直接投資規模超1千億元，不僅拓寬了新型儲能產業鏈，還成為推動經濟發展的“新動能”[1]。

一、鋰電池儲能電站概述

鋰電池儲能電站作為可再生能源設施之一，具有高效性、可靠性、可持續性及調峰填谷、調頻等諸多優勢，近年來被大力推廣。截至2022年，在新型儲能領域，已投運鋰離子電池儲能占比超過90%，遠超壓縮空氣儲能、鉛炭（酸）電池儲能等其他儲能領域[2]，占據行業龍頭領導地位。鋰電池儲能電站雖然在緩解能源壓力方面發揮了重要作用，但給消防安全也帶來了巨大挑戰。伴隨著鋰電池儲能電站的高速發展，其火災或爆炸事故也時有發生。從鋰電池儲能電站事故統計分析來看，事故現場呈現出復雜性、突發性等特點，容易造成重大財產損失和人員傷亡。因此，辨識鋰電池儲能電站火災風險，分析其火災事故特點，從而制定有針對性的滅火救援策略，對于高效、安全地處置此類火災、減少財產損失、保障人民群眾生命安全具有重要的現實意義。

二、鋰電池儲能電站構成及火災原因

（一）鋰電池儲能電站系統構成

鋰電池儲能電站由電池組、電池管理系統（BMS）、能量管理系統（EMS）、電力電子設備及相關輔助設備等組成[3]。電池組是鋰離子電池儲能電站的“心臟”，通常由大量的鋰離子電池單體組成，電池單體通過電氣線路連接拼裝成電池模組，根據儲能需求大小，可以靈活配置模組的數量和容量，有利于維護保養和后期擴容增能。電池管理系統（BMS）負責對電池組的狀態進行監測和提供保護，具備實時監測電池組的狀態、控制充發電過程、調節溫度和電壓等功能，發生異常時及時報警，保障電池組運行的可靠性和安全性[4]。電力電子設備用于對電池組進行充放電控制和電能轉換，包括逆變器、充電器、直流/直流（DC/DC）轉換器等，逆變器用于將直流電能轉換為交流電能，以便與電網或負荷連接；充電器用于將交流電能轉換為直流電能，以便對電池組進行充電；DC/DC轉換器用于實現不同電壓層次之間的能量轉換。能量管理系統（EMS）負責對儲能電站的能量流進行調度和控制，以實現對能量的高效利用和最優管理。EMS可以根據電網電價、負荷需求、能源市場等因素進行智能化的能量管理和優化控制，以降低能源成本、提高能源利用效率和實現經濟運營。輔助設備包括變壓器、配電裝置、控制系統、通信系統等，用于實現儲能電站與電網、負荷、發電設備等的連接和協調運行。

（二）火災事故原因

鋰電池儲能電站本質上是由許多單體電池組裝集合而成的一個超級電池，在電網中扮演著“大型充電寶”的角色，其火災主要發生在充放電過程中，常見原因有以下幾個方面。

1.電池內部短路發熱起火

內部短路主要有三種情況。第一，析鋰形成鋰枝晶。在電池循環充放電過程中，鋰離子遷移時形成鋰枝晶并不斷生長，可能穿透隔膜引起正負極短路。第二，機械碰撞。電池在使用過程中，若出現機械碰撞（如擠壓、針刺等），可能造成電池隔膜破裂，電池內部正極與負極直接接觸，形成內部短路。第三，電池本身缺陷，如隔膜被銅箔或鋁箔的毛刺穿破引起短路。

2.外部短路發熱起火

外部短路主要有三種情形。第一，模組內短路。電池單體之間的連接出現問題或者模組內部的絕緣材料損壞，導致正負極直接接觸。第二，模組間發生短路。模組之間的絕緣材料損壞或者模組安裝不當導致正負極直接接觸。第三，電池串總正總負短路。電池組的連接線松動或損壞，導致正負極直接接觸。

3.電池過充起火

鋰電池過充后，電池內鋰原子大量遷移至負極，并堆積在負極材料表面，而正極內鋰原子數量將剩下不到一半，容易導致晶體結構被破壞。堆積在負極材料表面的鋰原子將形成鋰枝晶，鋰枝晶會穿過隔膜紙，使正負極發生內短路。

4.外部環境或不當使用起火

當電池外部有熱源持續對電池加熱或電池濫用，會造成電池本體溫度持續上升，導致電解液與正負極材料反應等一系列副反應的發生。當電池內部材料本身發生持續放熱反應后，電池溫度將出現不可控的上升而發生熱失控。電解液會發生分解、氣化，造成電池內部壓力變大，最后導致外殼破裂。

三、鋰電池儲能電站消防安全現狀

（一）電池本體安全性低

鋰離子電池具有高能量、高密度的特點，在異常情況下容易發生火災、爆炸等消防安全問題。本體安全性低的主要因素是電池內部結構和化學反應的復雜性。在電池充放電、外部撞擊、外部加熱等異常情況下，電池容易發生短路、斷路、過熱等故障，進而發生電池熱失控，最終導致火災或爆炸事故。

（二）消防技術標準尚未完善

鋰離子電池儲能電站具有高效性、可靠性、可持續性等諸多優勢，作為新型儲能領域領頭羊，雖然被大力推廣應用于電力行業發輸電及用電環節中，但其消防安全仍處于探索階段，尚未建立完善專門、具體的消防規范標準體系。即便全球電力儲能標準技術委員會、國際標準化組織等國際研究機構頒布部分關于鋰電池儲能系統的相關行業標準，但其主要集中在鋰電池儲能系統技術應用和產業安全方面，涉及消防安全的內容較少，行業火災風險管控措施標準不夠具體，間接導致火災事故防范難度加大，火災事故發生概率增大，一旦發生火災，造成后果將不可估量，如北京豐臺“4.16”儲能電站火災事故，造成1名1值班電工遇難、2名消防員犧牲、1名消防員受傷，火災直接財產損失1600多萬元。

（三）缺乏針對性的消防滅火劑

鋰離子電池儲能系統由于電池的特殊性，發生火災時具有易復燃、滅火救援困難等特點，沒有研發出專門、有效的滅火劑。例如，常用的二氧化碳、七氟丙烷等僅能暫時性地消滅明火，控制火勢發展，一旦停止釋放滅火劑，鋰電池將出現復燃情況；水噴淋系統雖然具有良好的滅火控火和降溫效果，但要長時間、持續不斷地對其進行滅火降溫，用水量非常大，而使用水介質進行滅火作業，容易造成電池短路，導致觸電事故。

（四）配套消防設施可靠性差、針對性不強

現階段的鋰電池儲能電站雖然配置有消防設施，但由于缺乏相應的消防技術標準和規范，配置的消防設施千差萬別。此外，市場調查發現，我國電池儲能平均成本不斷降低，專家預測市場為追求利益可能采用更加低廉的設備，導致儲能產品本質安全風險增加。在此條件下，儲能電站配套消防設施的可靠性還有待考究。

四、鋰電池儲能電站火災防控對策

（一）加強電池本體安全設計

1.防止內部短路

研發正負極新材料，使負極電池很難達到鋰的還原電位，防止鋰金屬析出，從根本上消除金屬鋰枝晶產生的可能性，減少了電池發生內部短路的風險，如鈦酸鋰材料等。鈦酸鋰電池短路產生的Li4/3Ti5/3O4具有很好的絕緣性能，發生短路時高電導率的Li7/3Ti5/3O4轉變成為低電導率的Li4/3Ti5/3O4，增大回路阻抗，有效地降低了瞬間電流，使發熱量比其他負極材料大幅度降低，使電池在較短時間內的溫升緩慢。

2.防止外部短路

通過在電池采樣線纜間、模組間都加裝短路保護裝置，以防外部短路情況的發生。

3.防止過充

為了保證電池使用過程的安全性，電池管理系統（BMS）會嚴格監控電池系統中所有單體電池電壓，一旦出現任一電池電壓超過上限閾值，系統立刻斷開充電回路，停止充電，防止過充事故的發生。

4.防止過熱

通過BMS控制蓄電池箱環境溫度，配置過熱蓄電池斷開系統，防止熱蔓延。

（二）建立消防測試模型，配套專業消防規范

消防測試模型能夠使有關人員清楚了解鋰電池儲能系統的火災特性、與其他電站電氣火災的區別，從而為測試鋰電池火災防控裝置、全面評估消防安全技術效果提供技術支持和理論依據[5]。在全面掌握鋰電池火災特性基礎上，從總平面布局、防火分隔、安全疏散、消防設施及消防救援等方面提出保證儲能電站消防安全的系統性技術措施和滅火救援策略，編制適用于鋰電池儲能電站行業的消防技術規范。

（三）設計研發新型滅火劑

鋰電池火災與其他物質火災有著很大的差異，火災危險性相對較高。因此，需要基于鋰電池火災特點研發專門的新型滅火劑。首先，應根據鋰電池火災特性，篩選合適的滅火材料來制作滅火劑；其次，應依據鋰電池火災發展及蔓延規律，研發適合于鋰電池儲能系統火災的滅火器結構，保證可以精準地實現快速滅火、降溫的目的；最后，優化滅火劑及滅火器相關功能參數，在保證高效滅火的同時，降低成本投入。此外，還應考慮綠色環保要求，防止滅火劑釋放后造成環境污染或人身傷害。

（四）配套針對性消防設施，提高可靠性

在設計鋰電池儲能電站消防設施時，應充分考慮鋰電池火災特性，重點配套能夠有效阻隔電池系統火災蔓延，快速降低電池溫度的消防設施，同時滅火介質應能夠多次釋放，以防止火災復燃[6]。消防系統研究應聚焦于電池簇、電池包，集成一套既能有效撲滅鋰電池火災，又不漏掉電氣設備火災的專用消防系統。同時，加強儲能電站消防預警設施設計，通過BMS系統監控電池狀態，及早判斷熱失控發生的可能性。通過氣體、煙氣及溫度探測設備，預警火災發生的可能性，設計具有多級預警和防護能力的火災防控系統。

結語

近年來，鋰電池儲能電站產業規模持續擴大，發生的火災事故越來越多，消防安全問題成為需要解決的重難點問題，必須加強對消防安全技術措施的研究，以保障鋰電池儲能電站產業安全、穩定發展。本文深入分析了鋰電池儲能電站火災事故的主要原因及消防安全現狀，進而提出了針對性的火災防控對策，以保證安全、高效地應對鋰電池儲能電站火災事故，減少火災帶來的損失。

參考文獻

[1]蘇偉.新型儲能發展勢頭強勁[N].中國電力報，2023-12-05（001）.

[2]程曉燕.我國電化學儲能產業發展問題與對策研究[J].能源研究與利用，2023（03）：39-42.

[3]嚴娟.鋰電池儲能電站火災危險及對策研究[J].產業與科技論壇，2023，22（06）：38-39.

[4]陳銀，肖如，崔怡琳，等.儲能電站鋰離子電池火災早期預警與抑制技術研究綜述[J].電氣工程學報，2022，17（04）：72-87.

[5]崔一君，王德偉.鋰離子電池儲能系統的消防安全研究[J].中國設備工程，2023（03）：92-94.

[6]陸夢羽，楊寶珠，李爭，等.鋰離子電池儲能系統火災防控技術[J].電力安全技術，2022，24（02）：15-18.

作者簡介：陳冠儒（1988— ），男，漢族，廣西合浦人，本科，中級職稱，研究方向：建筑防火。