火灾、爆炸警示录：电化学储能安全如何守护？

9月20日，位于美国加州蒙特利县的埃尔克霍恩变电站发生火灾，火灾由特斯拉的储能系统Megapack起火所致。据了解，目前火灾已经得到控制，但起火的具体原因尚不明确。

在不到一年两个月的时间里，特斯拉的储能系统Megapack已经诱发了两起火灾。2021年7月30日，澳大利亚维多利亚州的维多利亚储能电站中，Megapack系统着火，当时该系统还在测试中。
Megapack 是特斯拉于2019年7月发布的大容量锂离子电池储能系统。根据公司网站介绍，系统每个单元可以储存超过3 MWh的能量。Megapack储能系统中最早使用的电池是三元锂电池，2021年5月，特斯拉将Megapack中的一部分电池改为磷酸铁锂电池，以降低生产成本，提高安全性，并缓解三元锂电池中镍的供应紧张的状况。
根据特斯拉公司最新介绍，在经过改进后，目前Megapack系统每个单元的储能容量为3.9MWh，额定功率为1.9MW。
据autoevoltuion网站介绍，加州埃尔克霍恩储能电站由美国太平洋天然气和电力公司(PG&E)管理。太平洋天然气和电力公司今年4月启用了特斯拉Megapack储能系统，在埃尔克霍恩电站中，Megapack储能系统的总容量为182.5兆瓦。
特斯拉公司在官方网站上介绍，Megapack储能系统能够为电网可靠而安全地储存能量，每个电池模块都单独配有逆变器，以提高效率和增加安全性。通过云软件平台的更新，Megapack的性能会随着时间的推移得到不断优化。Megapack系统经过广泛的防火测试，包括集成系统的安全测试，采用了专门的监控软件，能够进行一周七天、每天24小时监控支持。

防不胜防的电池热失控
从全球范围的电化学储能项目来看，特斯拉Megapack储能系统的火灾事故，不是个案。
在前不久于杭州举办的第十二届中国国际储能大会中，据欧盟科学院院士、中国科技大学教授孙金华介绍，截至目前，全球总共发生了60多起电化学储能火灾事故，大部分储能电池使用的是三元锂电池，事故发生时段主要在设备调试阶段和充放电后的休止中。
在此次大会中，福建星云电子股份有限公司总裁助理刘震等多位业内人士向澎湃新闻记者表示，电化学储能的安全是一个系统性问题。导致电化学储能电站起火的原因很多，包括电池、电气设备本身的质量问题，也包括系统保护措施设计的不完备，PCS（双向储能变流器）和BMS（电池管理系统）以及EMS（能量管理系统）等系统之间的控制及保护功能协调性差等，施工过程中出现的质量问题、运行和维护管理不当等均也是储能电站起火的原因。
不过，尽管储能电站起火的原因众多，但电池本身的热失控，以及电池模块和系统的热失控扩散，是行业目前关注的焦点。
特斯拉去年7月澳大利亚的火灾事故调查报告显示，Megapack储能系统的冷却系统内泄漏导致电池短路，并引发电子元件起火，而局部过热造成了电池热失控，热失控蔓延，进而导致火灾。
通常而言，电化学电池以不可控制的方式通过自加热升高其温度的事故被称为热失控。孙金华在大会发言中说，“以锂离子电池为例，电池的金属氧化物正极具有氧化性，而电池的电解液、隔膜等是可燃材料，具有还原性。氧化性和还原性物质组成在一起，在一定情况下就会发生氧化还原反应。”
孙金华介绍说，“电池热失控的初始力量主要来自于电池充放电循环的热量积累，如果热量不能及时导出，就会使系统的温度升高，诱发初始反应即电池负极表面的SEI膜分解，继而会诱发主控反应，即隔膜产生大量焦耳热后导致的系列反应，包括电解液的分解、电解液与正极的反应等。”

据了解，电池热失控一般的原因有内因和外因，内因包括电池老化，例如极化导致内阻增大，锂金属沉积刺穿隔膜，内部杂质刺穿隔膜；外因包括意外事故引发电池机械结构损伤，电池局部受热、电池过充过放、过压、外短路等。
而在电池模组中，电池单体发生热失控后，触发与其相邻或其它部位的电池单体发生热失控，就是热失控扩散。热失控扩散可能通过能量传导，例如热能传导、电能传导、以及机械能传导，也可以通过喷出物起火加速热失控扩散。热量进一步积累，便可能导致火灾、气体释放和爆炸。
根据孙金华及其团队的研究，当电池与电池的间距不同，某一热失控的电池向下一个电池传递热量的主控机制是热辐射传导、热能传导还是热电流传导也不同。其发现，当电池间距大于某一数值，电池之间的热失控的传导就会从热能传导主控转为热辐射传导主控。
不过，就目前的电池热失控机理而言，研究也还存在盲点。孙金华坦言，“目前单体电池、电池模组的火灾特性，已有的研究比较详尽，但电池簇（由电池模组进一步组成）的火灾特性以及火蔓延特性这一块，无论国际还是国内的研究都还属于空白。另外，对储能电站的预制舱内热失控气体产生以后的运输规律的研究也还不透彻。这都是未来需要继续探索的领域。”
电池本体、监控、消防三位一体守护电化学储能安全
尽管风险重重，但发展电化学储能又是大势所趋。
相比于机械储能、储氢、储热等其它储能技术，电化学储能又有着明显的优势。据中信证券新能源汽车分析师汪浩介绍，电化学储能的优势包括系统规模大，响应速度快，在毫秒时间尺度内能够实现规定范围内的电能输入和输出。此外，电化学储能能够精确控制，能够在可调范围的任何功率点稳定输出。此外，其还具有双向调节能力，充电时为用电负荷，放电时为发电电源。
如何保障安全与稳定，是发展电化学储能亟需解决的重大问题。记者从多位业内人士处了解到，未来电化学储能电站的安全管理应覆盖全生命周期，构建本体安全、主动安全、消防防御三重防线。
首先，电池安全是电化学储能的本体安全。孙金华说，要从电池材料和结构本身来预防电池热失控，电解液、隔膜、正极材料的改进很重要。电解液方面，要研发难燃和不燃的电解液，例如固态电解液，同时保证电解液的电化学性能跟原位电解液基本一致。正极材料方面，由于正极材料分解会发生大量氧气，与电解液反应，因此需要对正极材料掺杂材料或者进行包裹处理，提升金属氧化物的稳定性。隔膜方面，目前电池隔膜熔化温度在120-140摄氏度之间，隔膜一旦熔化电池瞬间会形成内短路，因此要发展耐高温的隔膜，例如有机隔膜和无机陶瓷隔膜。
此外，提高电池的一致性，选用安全高效的热管理系统，抑制电池的温升，嵌入泡沫金属、包覆相变材料实现电池被动式冷却等也是未来提高电池应用安全性的重点。
其次是以监控和预防为主的主动安全。中国化学与物理电源行业协会发布的《2022年中国储能产业创新发展白皮书》（以下简称“白皮书”）中指出，在储能电站的主动安全方面，应该基于数字化技术提高监控、运维水平，实时监控整体电站的硬件状态，在异常故障时做到实时通知，提高故障诊断的准确率和自动化处理效率，做好系统安全状态的早期预警，避免电池从出现故障发展到热失控的状态。
在这方面，电池管理系统（BMS）应该发挥出重要的作用。《白皮书》指出，电池管理系统（BMS）对电池组实施数据监测和故障诊断，进行动态管理。跟动力电池的BMS相比，储能电池BMS在硬件逻辑结构、通信协议、管理系统参数等方面存在差异，其对响应速度、数据处理能力、均衡管理能力提出了更高的要求。
在大会中，据杭州高特电子设备股份有限公司总经理徐剑虹介绍，现有储能电池BMS技术上普遍存在的三大问题是，“首先，BMS虽然已经在监测电池的温度和电压，测不到、测不准的问题普遍存在。例如，电池温度监测点一般放置在汇流排上，而汇流排是良好的热导体，也即是说，电芯如果发生温度变化，热量部分被耗散，导致温度监测不准。”徐剑虹说。
由于采集的电压和温度都是电芯外部的参数，无法获取电池内部的真实温度，因而无法准确计算电池的真实状态，如电池容量、衰减率等，徐剑虹说，“电动汽车以及储能电站的燃烧爆炸事故，其实都可以通过预先获知电池内部的温度，而提前判断电池热失控实现保护，但是由于温度采样的延时和温度梯度的影响，使得在热失控已经发生后系统才给出警告和保护，为时已晚。”
此外，现有的储能电池管理系统需要通过采样点、线束采集电压、温度等参数，大量的采样点、线束，以及线束连结的接插件，将产生很多故障隐患。当线束老化、破损或受到挤压，也容易产生漏电等问题。
另外，对电池管理系统而言，其实现均衡管理的能力很重要，均衡的目的是使的电池组可放容量最大化，目前储能电池管理系统通用的均衡技术为被动均衡，即对整个电池组内电压或容量高的电池，通过可控制的并联电阻放掉一部分能量。该方法简单，成本低，但消耗电池电能，均衡效果较差，无法均衡性能落后的电池。
对此，不少业内人士建议，未来储能电池管理系统需要提高对温度和安全参数检测的精准度，予以及时响应，以实现高效、可靠的安全状态分析和预警功能，并提供主动均衡管理和系统安全保护措施，无线电池管理系统也应提上议程。
储能安全的最后一道防线，是消防安全。

在此次储能大会中，很多消防业内人士承认，电化学储能电站的火灾一旦蔓延，灭火实际非常困难。据中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司副总工程师斯林军介绍，现有的灭火剂包括水、全氟己酮、七氟丙烷、二氧化碳、气溶胶等，都无法从根本上中断电池内部连锁分解反应。其中，气体灭火剂主要熄灭明火，减低失控电池表面温度，提供更多的反应时间；水基型灭火剂冷却降温效果最好。从灭火实践来看，对于储能电站的火灾，最后的手段就是大水漫灌。
对于储能电站的消防安全维护，斯林军则从消防设计、防排烟设计、电池室布置、PCS室布置、暖通设计等方面给出了建议。
首先，储能电站应该配备火灾报警系统、气体灭火系统和二次喷淋冷却系统。其中，报警系统应该设置完善的可燃气体探测器，通过烟感、温感、消防报警信号与BMS温度信号联合判断电池热失控。而电池区域应该按规范设置气体灭火系统，并与火灾报警系统连锁，一个独立的电池区域作为一个防护区。因电池室着火后，人员难以靠近，建议每个电池区域上方设置雨淋喷头，手动接入外部电源。
其次，储能电站的通风系统应该能限制可燃气体在最低爆炸极限的25%以下。电池室必须设置灾后机械通风系统，采用防爆风机，可燃气体探测系统应与通风系统联动，预防热失控过程中特别是明火灭后产生的气体积聚导致的爆炸。
再次，在进行电池室的布置时，电池柜基座应该预埋槽钢，找平、焊接、可靠接地。电池柜正面应预留足够的维护通道，建议在1200MM以上。电池柜背靠背布置或靠墙布置时，应预留200MM以上的散热空间。为防止事故扩大化，建议电池室电缆应上出线和桥架方式。