解读中国电科院PPT：锂离子电池储能安全问题解析及体系化防控技术

多起储能电站火灾事故回顾

近年来国内外储能电站火灾事故频发，教训深刻。2021年4月16日，北京丰台区西马场甲14号院的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，直接财产损失1660.81万元。调查认定，南楼起火直接原因系电池间内的磷酸铁锂电池发生内短路故障，引发电池热失控起火；北楼爆炸则是因为南楼电池间内单体电池内短路引发模组热失控扩散，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。

国外同样如此。2019年4月，美国亚利桑那州APS公司McMicken变电站的2MW/2.47MWh锂电储能系统发生着火爆炸，造成多名消防人员受伤。2021年7月，澳大利亚"维多利亚大电池"项目的特斯拉Megapack电池集装箱发生火灾，火势引燃了背靠背安装的另一个集装箱，经过4天多燃烧才得到基本控制。

这些事故共同指向一个事实：锂离子电池储能安全不是单一环节的问题，而是贯穿电池本体、系统集成、运行管理和消防处置的系统性挑战。2017年、2018年山西、江苏也发生过储能电站火灾事故，说明这一问题具有普遍性。

事故原因：内因外因叠加的链条

报告将锂离子电池储能安全问题的原因归纳为内因和外因两个维度。内因是电池自身存在安全隐患，包括电解液燃烧、正负极氧化还原反应、正极分解产氧、SEI膜分解与重生、隔膜崩溃等一系列放热反应。外因则包括四个方面：保护系统不良、缺乏有效预警手段、防护措施缺失、缺乏针对性消防技术。

从热失控的物理过程看，电池在热滥用条件下，内部温度从100摄氏度附近开始，依次经历SEI膜分解、隔膜熔化崩溃、电解液燃烧、正负极反应等阶段，温度可攀升至1000摄氏度。放热速率随温度升高急剧增大，这是热失控难以阻断的根本原因。

这一来自澳大利亚维多利亚州能源安全委员会（ESV）的调查结论，进一步说明储能系统集成层面的缺陷同样可能成为事故触发点。Megapack冷却系统内的冷却液是水和乙二醇1:1的混合液，具有导电性，一旦泄漏便可能造成电池系统内短路，进而引发火灾。

国内外事故调查的关键发现

美国亚利桑那州McMicken储能系统事故的详细时间线揭示了热失控的快速演进过程。从16:54:30开始，rack15中module2的battery7电池电压下降0.24V，随后8秒内rack15整体电压下降3.8V，BMS丢失模块级别数据。16:55:20烟雾警报器激活，消防系统触发多个断路器断开，16:55:50灭火系统释放Novec1230灭火剂。然而，清洁剂灭火系统的设计初衷是扑灭普通可燃物初期火灾，此类系统无法防止或阻止电池储能系统中的级联热失控，也无法有效减慢热失控传播。在热失控开始约三个小时后，消防员打开储能系统大门，导致爆炸发生。

韩国的情况也值得关注。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，发现电池并未构成失火原因，问题主要集中在电击保护系统不良、运营操作环境管理不善、安装疏忽以及储能系统集成控制（EMS、PCS）保护系统管理不善等方面。电网故障、雷击等外部因素对储能系统的影响同样不容忽视。这说明储能安全需要从系统层面而非仅从电池层面进行管控。

电池火灾的三大突出特点

报告明确总结了锂离子电池储能系统火灾的三个突出特点。第一是易蔓延：储能系统的火灾往往由一个电池的热失控、燃烧引发，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模组，继而蔓延到整个储能系统。第二是易复燃：电池火灾由内部热失控引发，明火扑灭后内部热失控反应并未停止，持续放热极易引发再次燃烧，复燃时间从几个小时到十几个小时不等。第三是易燃爆：电池燃烧的同时会释放大量可燃气体如CO、H2等，这些可燃气体达到一定浓度时极易发生爆炸。

火灾处置必须考虑这些特性。报告指出，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、高压细水雾等都不适合。因为水等非绝缘性介质可能造成储能系统短路，进一步扩大事故。

可燃气体燃爆风险也需要量化评估。报告通过计算105Ah的LFP电池的爆炸极限为4.86%至52.2%。仿真显示，1块电池热失控产生的烟气无法在舱内达到气体爆炸下限；24块和48块电池同时热失控时，可燃气体达到爆炸极限的最短时间分别为14.7s和9.8s。

安全防控体系的技术架构

报告提出了锂离子电池储能安全防控的整体体系，涵盖高安全电池本体、储能系统集成和应用、过程安全管理、配套设施等多个层面。在电池本体层面，包括现有电池体系（磷酸铁锂、三元）的改进和本征安全体系（全固态电池）的探索，具体技术方向有阻燃电解液及添加剂、改性陶瓷隔膜、正温度系数元件、电芯及壳体设计等。在系统集成层面，涉及电池组、电池簇、预制舱的热场均衡与散热设计。

储能安全防控体系的核心模块包括安全预警、安全防护和消防安全三大板块。电池预警技术要能够判断电池异常状态（SOC、温度、漏液），并根据异常状态的严重性进行分级报警，同时要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。对于电池热失控要能做出提前预判，对于故障电池的位置要能有效辨识。

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，建立了储能电池安全状态评估和安全隐患预警模型，构建了电池容量异常衰减、温差温升异常、内阻异常、一致性异常等多种隐患的预警体系。这一基于运行数据解析挖掘的技术路径，为储能安全预警提供了工程化的解决方案。

消防安全技术的突破与验证

消防安全是储能安全防控的最后一道防线。报告对比了不同灭火剂对磷酸铁锂电池的灭火效果：七氟丙烷灭火时间1s、电池最大降温速率13.4摄氏度每秒，全氟己酮灭火时间4s、降温速率10.4摄氏度每秒，二氧化碳灭火时间17s、降温速率1.8摄氏度每秒，干粉灭火时间1s、降温速率4.45摄氏度每秒。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，四种灭火剂灭火后均出现复燃。

值得注意的是，全氟己酮已被美国列入TSCA（有毒物质控制法案）名录，OECD已将其列入PFAS名录，被认为具有污染性和危害性。这一信息对灭火剂选型具有重要参考价值。

针对单一灭火剂的局限，报告介绍了气液复合灭火剂技术。该灭火剂可在数秒内快速扑灭明火，高温吸热性能好、能持续为电池降温、长时间抑制电池复燃，能够有效抑制可燃气体释放、降低燃爆风险，400摄氏度以下不分解、对其它未着火电池和环境危害小。中国电科院研发的锂离子电池自动灭火装置融合了"热失控模型"和"火灾模型"，采用模块级消防策略，实现快速感知、精准扑救、长效复燃抑制，10秒内扑灭明火、24小时不复燃，已通过国家消防装备质量监督检验中心检测。

可燃气体燃爆风险的仿真发现

报告对可燃气体燃爆风险进行了系统的仿真分析。在扩散仿真方面，储能预制舱不同截面的气体扩散云图显示，无论何种数量和位置的电池热失控，电池簇第1至2层电池模块内的可燃气体浓度都没有达到爆炸下限以上，无法被明火点燃。但24块和48块电池同时热失控时，都是4号电池簇中可燃气体达到爆炸极限的时间最短，第5层最先达到爆炸极限，最快时间分别为14.7s和9.8s。

在爆炸仿真方面，最大爆炸超压发生的时间为气体开始扩散后的150至310s之间，各个位置点火后爆炸超压随时间先增大后减小并逐渐趋于平稳。24块和48块电池同时热失控时，对右侧舱门产生的最大爆炸超压分别是92.2Kpa和566Kpa。点火位置离舱门越远，产生的爆炸对舱门的作用力越大。预制舱中48块电池发生热失控时，最大爆炸超压发生在1号位置，为583Kpa。

这些仿真数据为储能预制舱的防爆设计提供了量化依据。电池热失控发生在左上角位置、右下角位置时，预制舱内可燃气体浓度达到爆炸极限的最短时间都是9.8s；点火点位于预制舱中间时产生的最大爆炸超压明显小于两侧点火点。报告还介绍了在应用案例中，灭火装置工程化应用需要同时兼顾消防误报、电磁干扰等问题，已在浙江省某储能工程和某国有研究所舰船用电池系统中得到应用。

北京"4·16"储能电站火灾爆炸事故造成1人遇难、2名消防员牺牲、1名消防员受伤，直接财产损失1660.81万元。事故调查报告认定，南楼起火直接原因系电池间内的磷酸铁锂电池发生内短路故障，引发电池热失控起火。 北楼爆炸的直接原因是南楼电池间内单体磷酸铁锂电池内短路引发电池及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。这一事故链条清晰展示了从电池内短路到热失控再到可燃气体爆炸的完整过程，也说明储能电站的消防安全设计必须考虑可燃气体在建筑结构间的扩散路径。

七氟丙烷和全氟己酮对磷酸铁锂电池的灭火效果较好，灭火时间分别为1秒和4秒，电池最大降温速率分别为13.4摄氏度和10.4摄氏度每秒。二氧化碳灭火时间17秒，降温速率仅1.8摄氏度每秒。 四种灭火剂灭火后均出现复燃，复燃时间从57秒到169秒不等，说明单一种类灭火剂均无法有效抑制磷酸铁锂电池复燃现象。七氟丙烷灭火后电池最高温度143摄氏度，全氟己酮254摄氏度，二氧化碳278摄氏度，干粉368摄氏度。灭火后清理难易方面，七氟丙烷、全氟己酮和干粉均标注为容易。综合来看，七氟丙烷推荐度为三星，全氟己酮为二星。但值得注意的是，全氟己酮已被美国列入TSCA名录，OECD已将其列入PFAS名录，被认为具有污染性和危害性。

报告通过实验和仿真获得了可燃气体燃爆的关键数据。通过计算，105Ah的LFP电池的爆炸极限为4.86%至52.2%。仿真显示，1块电池热失控产生的烟气无法在舱内达到气体爆炸下限，但24块和48块电池同时热失控时，可燃气体达到爆炸极限的最短时间分别为14.7秒和9.8秒，且都是4号电池簇中可燃气体达到爆炸极限的时间最短，第5层最先达到爆炸极限。 爆炸超压方面，24块和48块电池同时热失控时对右侧舱门产生的最大爆炸超压分别是92.2Kpa和566Kpa，48块电池热失控时预制舱中最大爆炸超压发生在1号位置，为583Kpa。最大爆炸超压发生的时间为气体开始扩散后的150至310秒之间，点火位置离舱门越远，产生的爆炸对舱门的作用力越大。这些数据为储能预制舱的防爆设计和应急疏散方案提供了量化依据。