中國儲能網訊：
摘 要 隨著鋰離子電池在電化學儲能電站的廣泛應用，電化學儲能電站火災和爆炸事故頻繁發(fā)生。為深入研究這些事故的致災因子，本文統(tǒng)計了2017年11月至2024年9月期間全球范圍內發(fā)生的90起涉及鋰離子電池的電化學儲能電站火災爆炸事故，并圍繞電池類型、發(fā)生事故的國家、儲能電站的運行狀態(tài)、事故致因四個方面進行了統(tǒng)計分析；采用德爾菲法與風險矩陣法對設備風險、人為風險和環(huán)境風險涉及的15個風險因素進行了系統(tǒng)評估。研究結果表明：三元鋰電池更容易引發(fā)火災爆炸事故，由其引發(fā)的事故數量是磷酸鐵鋰電池的2.5倍；韓國發(fā)生的事故數量最多，共34起，占全球事故總數的37.8%；電化學儲能電站在運行期間發(fā)生事故的最多，共計72起，占事故總數的80.0%；在事故致因中，人為因素導致的事故占比最大，為43.3%；冷卻系統(tǒng)故障、電池過充、BMS/PCS/EMS異常、消防設施不足和環(huán)境高低溫五個風險因素為高風險因素。針對這些高風險因素，本文提出了相應的防控措施，以提升電化學儲能電站的整體安全性。
關鍵詞 電化學儲能電站；火災爆炸事故；統(tǒng)計分析；風險矩陣法
目前，能源危機與環(huán)境污染已經成為制約現代社會經濟發(fā)展的兩大問題。聯(lián)合國提出可持續(xù)發(fā)展目標，在七十五屆聯(lián)合國大會上，中國響應全球氣候變化挑戰(zhàn)，提出“碳達峰”和“碳中和”兩大目標。2024年作為“碳達峰”的關鍵點與窗口期，中國構建了綠色安全的新型儲能系統(tǒng)，以加快推進“碳達峰”工作。目前主流的新型儲能方式包括泵送儲能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能、電化學儲能等。電化學儲能電站利用電化學原理，通過充放電過程來儲存和釋放電能的系統(tǒng)，在可再生能源整合、電網調峰、應急電源等方面發(fā)揮著重要作用。近年來，可再生能源發(fā)電技術的大規(guī)模應用加快了電化學儲能技術應用，根據中關村儲能產業(yè)技術聯(lián)盟(China Energy Storage Alliance，CNESA)的統(tǒng)計，中國自2011年以來開始建設電化學儲能電站(electrochemical energy-storage stations，EESSs)，截至2023年底，電化學儲能累計裝機規(guī)模已達21500兆瓦，2011—2023年間，我國累計電化學儲能裝機規(guī)模年增長率均保持在20%以上，展現出持續(xù)快速增長的趨勢，如圖1所示。
圖1 中國2011—2023年電化學儲能裝機發(fā)展態(tài)勢
電化學儲能電站主要包括電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)、電力轉換系統(tǒng)(power conversion system，PCS)、能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)、監(jiān)控和通信系統(tǒng)、冷卻與溫控系統(tǒng)、安全與保護系統(tǒng)及相關基礎設施。隨著電池技術的發(fā)展，電化學儲能電站的電池多樣。目前，常見的儲能電池類型包括鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池、超級電容等，不同儲能電池的對比見表1。在多種儲能方式中，鋰離子電池憑借著技術成熟、能量密度高、循環(huán)穩(wěn)定性好等優(yōu)點脫穎而出。根據國家能源局的統(tǒng)計，如圖2所示，近三年來，鋰離子電池在中國電化學儲能電站分布中占絕對位置。例如2023年，鋰離子電池在全國電化學儲能總裝機量中占98.1%。
表1 不同儲能電池特點的對比
圖2 近三年中國電化學儲能電池類型占比
然而，鋰離子電池具有電解液的熱不穩(wěn)定性、電化學反應的放熱性等缺點，當鋰離子電池遭遇電濫用、機械濫用、自身缺陷、老化破損時，電池內部材料的物理與化學性質可能發(fā)生變化，導致鋰離子電池溫度呈現不可控上升，常伴隨著氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、電解液蒸汽、氟化氫等有毒、有害氣體的釋放，同時，這些混合氣體具有易燃易爆性，一旦在集裝箱等受限空間聚集，遇到火源極易發(fā)生火災爆炸事故。例如，表2統(tǒng)計了部分由鋰離子電池引發(fā)的電化學儲能電站的安全事故。這些事故不僅對人民生命財產造成巨大損失，而且嚴重影響了鋰離子電池在電化學儲能電站大規(guī)模的應用。
表2 近年來電化學儲能電站的典型安全事故案例
為探究電化學儲能電站鋰離子電池安全事故成因，郭鵬宇等結合一起儲能電站磷酸鐵鋰電池火災事故，通過過充、短路試驗分析了事故原因；曹文炅等結合韓國鋰離子電池儲能電站安全事故，探究了電池本體、運行環(huán)境、外部激源及管理系統(tǒng)四類要素對電池系統(tǒng)安全事故的觸發(fā)及演化規(guī)律，并研究了各因素之間的相關影響機制；牛志遠等通過仿真模擬了單一儲能艙爆炸對周圍儲能艙的沖擊，并研究了加裝隔離措施對抑制儲能艙爆炸蔓延的效果；Shen等[9]以一起電化學儲能電站爆炸事故為研究對象，運用系統(tǒng)理論事故模型結合過充試驗分析了爆炸事故原因；韓鈺等調查了一起光伏儲能電站磷酸鐵鋰電池預制艙火災，經過事故調查，事故原因是配電箱因外部高壓沖擊短路引起火災；為保障電化學儲能電站的安全運行，寧雪峰等采用AHP-TOPSIS法對電化學儲能電站的綜合安全水平進行評估。
目前的研究大多是針對一起電化學儲能電站事故進行原因分析，缺少對電化學儲能電站事故案例的統(tǒng)計分析，本研究篩選出自2017年11月至2024年9月期間的90起涉及鋰離子電池的電化學儲能電站事故案例，從電池類型、事故發(fā)生的國家、事故發(fā)生時電化學儲能電站運行狀態(tài)、事故致因4個方面進行統(tǒng)計分析，結合德爾菲法和風險矩陣法探究電化學儲能電站事故的多層原因，計算15種風險因素的風險值，對風險因素的風險值大小進行排序，從而提出針對性的預防措施，為后續(xù)降低電化學儲能電站事故風險提供參考。
1 事故統(tǒng)計及分析
1.1 事故來源
為確保數據的真實性與全面性，通過訪問國內外新聞媒體官方網站和中國知網文獻數據庫(CNKI)檢索等方式進行事故案例調研。由于部分事故案例時間跨度較大，公開報道的信息量有限，無法獲得事故詳細信息，但每起事故的發(fā)生國家、時間、事故電池類型等情況基本清晰。本次統(tǒng)計的事故案例信息相對完善，樣本具有較強的代表性，可作為事故基本特征規(guī)律研究的數據支撐。經過多方信息互相驗證，從2017年11月開始，到2024年9月，共有90起涉及鋰離子電池電化學儲能電站火災爆炸事故。
1.2 事故分類維度
電池本質安全至關重要，三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池安全性不同，全新電池、廢舊電池、循環(huán)利用電池安全性也不同。因此，針對已發(fā)生的電化學儲能電站事故中涉及的電池種類進行分類，探究是否存在某類鋰離子電池更容易引發(fā)儲能電站火災爆炸事故。探究是否存在某一國家或地區(qū)事故發(fā)生頻率更高，對事故發(fā)生國家進行分類。儲能電站是一個復雜系統(tǒng)，不同運行時間、運行狀態(tài)的電站可能發(fā)生事故的概率不同。電化學儲能電站的投運時間也對電站安全運行產生較大的影響，因此，對電化學儲能電站發(fā)生火災爆炸事故時的運行狀態(tài)進行分類。系統(tǒng)安全理論廣泛應用于事故原因分析，使用錢學森院士提出的“人-機-環(huán)境”系統(tǒng)工程理論劃分工程管理和事故分析，以“人、電池本體、環(huán)境”為三因素，進行事故致因分類，探究各類事故發(fā)生的主要原因。
1.3 事故統(tǒng)計結果及原因分析
1.3.1 電化學儲能電站事故中儲能電池類型統(tǒng)計及原因分析
為滿足高速增長的能源需求，電化學儲能電站普遍選擇高能量密度的電池作為儲能單元，在此過程中往往忽視了其潛在的安全風險，儲能電站的事故類型主要包括火災、爆炸、中毒、燙傷、連鎖反應等，考慮全球范圍內統(tǒng)計范圍大，相對于其他事故類型，火災、爆炸事故產生的后果比較嚴重，為保證統(tǒng)計的準確性和代表性，僅對火災、爆炸事故進行了統(tǒng)計。在事故統(tǒng)計中發(fā)現，火災和爆炸有時存在相繼發(fā)生的現象，因此，本文將事故后果分為三類：火災事故、爆炸事故以及火災爆炸事故，統(tǒng)計結果如圖3所示。鋰離子電池發(fā)生火災事故的數量遠遠高于爆炸事故的數量，此外，三元鋰電池更容易造成儲能電站事故，85起已知鋰離子電池種類的電化學儲能電站事故中，由三元鋰電池引起的電化學儲能電站事故數達61起，占比約71.8%，主要原因如下。
圖3 事故中鋰離子電池類型分布
（1）三元鋰電池更容易發(fā)生熱失控。研究表明，三元鋰電池熱失控觸發(fā)溫度比磷酸鐵鋰電池的熱失控觸發(fā)溫度更低，且熱失控觸發(fā)時間更早，這是由于三元鋰電池正極材料的熱穩(wěn)定性較差，并且隨著三元鋰電池內部鎳含量的增加，導致其熱穩(wěn)定性下降，熱失控觸發(fā)溫度更低。此外，隨著電池荷電狀態(tài)(SOC)的增大，三元鋰電池熱失控的敏感性將會提高，電壓突變更快，危險性也變得越發(fā)明顯。
（2）三元鋰電池更容易起火和熱失控蔓延。有研究表明，采用外部加熱方式觸發(fā)鋰離子電池單體熱失控時，外部加熱很難引燃磷酸鐵鋰電池，而三元鋰電池可自發(fā)引燃和噴射，且誘發(fā)三元鋰電池單體熱失控需要的熱量更少，另外，三元鋰電池不需要外部的氧氣就可以發(fā)生燃燒，這是由于三元鋰電池熱失控過程中其正極材料分解產生氧氣，加快了三元鋰電池內部的化學反應。相對于磷酸鐵鋰電池模組，三元鋰電池模組更容易發(fā)生熱失控蔓延，且發(fā)生熱蔓延速度更快，這是由于三元鋰電池熱蔓延過程產生的熱量更多。
（3）三元鋰電池熱失控會釋放更多的易燃易爆性氣體。有研究表明，單位容量的三元鋰電池熱失控產氣量是磷酸鐵鋰電池的2倍以上，因此，在一個受限的空間內，三元鋰電池熱失控產生的可燃性氣體更容易達到爆炸下限，增大了三元鋰電池發(fā)生火災、爆炸的風險。
基于三元鋰電池的上述特性，其在安全性方面需要更加嚴格的監(jiān)管。因此，國家能源局綜合司2022年6月29日發(fā)布《防止電力生產事故的二十五項重點要求(2022年版)(征求意見稿)》，其中提到中大型電化學儲能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池，不宜選用梯次利用動力電池，選用梯次利用動力電池時，應進行一致性篩選并結合溯源數據進行安全評估。在國家政策的要求下，我國電化學儲能電站火災爆炸事故數量明顯下降，之后僅發(fā)生3起事故。爆炸事故不容忽視，在7起儲能電站相關爆炸事故中，2起事故是儲能設備本體發(fā)生爆炸，之后引起火災；1起事故是集裝箱電池系統(tǒng)內著火，當消防員打開集裝箱艙門擾動了熱失控氣體，熱失控氣體遇到高溫電池在集裝箱內發(fā)生爆炸；1起是由于鋰電池熱失控氣體在集裝箱聚集遇到點火源爆炸；2起爆炸事故是在用水冷卻起火電池系統(tǒng)時發(fā)生的，這是由于水導致電池系統(tǒng)外短路，引發(fā)電池系統(tǒng)熱失控；1起是由于一個儲能間起火，電池系統(tǒng)產生的熱失控氣體通過電纜溝進入另外一個儲能間內聚集，之后發(fā)生爆炸。儲能電站爆炸大部分是由于電池熱失控產生大量可燃性氣體，這些氣體在儲能電站(艙)等受限場所內聚集，達到其爆炸極限范圍，一旦遇到電火花、高溫熱源等情況，就會發(fā)生爆炸。爆炸常帶來沖擊波、碎片沖擊、有毒氣體、熱輻射、振動等危害。此外，在爆炸事故中，磷酸鐵鋰電池發(fā)生的爆炸事故數量是三元鋰電池的兩倍左右，磷酸鐵鋰電池爆炸風險更值得關注，這是由于磷酸鐵鋰電池熱失控氣體的爆炸范圍更寬。
1.3.2 發(fā)生國家統(tǒng)計及原因分析
經統(tǒng)計，電化學儲能電站火災爆炸事故發(fā)生在韓國、美國、中國、澳大利亞、法國、德國、比利時、瑞典、英國、新加坡。由圖4可知，韓國最多，發(fā)生的事故數高達34起，占統(tǒng)計事故總數的37.8%，可能原因有以下幾個方面：2013年，韓國的儲能項目不足30個。韓國在其可再生能源證書獎勵政策激勵下，對儲能項目的大力推廣，在一定程度上催生了行業(yè)快速發(fā)展，截至2019年，韓國的儲能項目已經快速攀升至1490個。根據事故調查報告，電池缺陷、電機保護系統(tǒng)不良、經營環(huán)境不足、安裝疏忽、儲能系統(tǒng)管理不善是導致儲能電站事故的原因。電池自身的安全問題也是導致事故頻發(fā)的一個重要因素，韓國電化學儲能電站多選用三元鋰電池，這主要因為韓國各大電池企業(yè)以三元鋰電池為主流產品，根據中國能源網統(tǒng)計的25起韓國電化學儲能電站事故，事故中的鋰離子電池均為三元鋰電池。與此同時，電池管理系統(tǒng)或預警系統(tǒng)存在缺陷，可能導致無法及時發(fā)現并處理異常情況。
圖4 各國電化學儲能電站發(fā)生事故數量
在統(tǒng)計的事故中，美國共發(fā)生25起火災爆炸事故；其次是中國，共發(fā)生13起，歐盟國家共發(fā)生17起事故。從發(fā)生事故所用電池類型來看，美國一半以上的儲能電站事故使用的儲能電池為三元鋰電池，而中國和歐盟國家儲能電站大部分使用磷酸鐵鋰電池。從技術標準方面分析，德國、日本是在IEC/EN 62619基礎上，根據自身國家的發(fā)展狀況進行補充，運用到本國，對儲能電池的機械安全要求較多；美國和加拿大采用UL 1973、UL 9540A等系列標準，對儲能電池環(huán)境測試和熱失控測試較全面；中國目前采用的是GB/T 36276、GB/T 34131等標準，中國標準更注意測試結果。2023年，中國、美國、德國、韓國、日本為全球電化學儲能累計裝機的前五大國家，裝機規(guī)模也是影響美國事故多發(fā)的一個因素，儲能電站的規(guī)模越大，電池數量越多，排列相對密集，單個電池發(fā)生故障時容易引發(fā)連鎖反應，增加整體系統(tǒng)的安全風險，此外，大規(guī)模儲能系統(tǒng)的管理和監(jiān)測難度也更大，需要更高效和精確的電池管理系統(tǒng)來避免過充、過放等問題。
1.3.3 電站事故中儲能電站運行狀態(tài)統(tǒng)計及原因分析
電站分為建設、調試、運行和維護階段。系統(tǒng)集成、施工運維到安全管理等方面可能存在的缺陷也不容忽視。根據事故信息可知，韓國電化學儲能電站事故多數發(fā)生在充電中或充電后靜置過程中，電池長期在高電流密度下快速充電或低溫下充電，電池負極表面容易形成鋰枝晶，鋰枝晶的生長易刺破電池隔膜，導致電池內短路，進而引發(fā)火災、爆炸事故。由圖5可見，大部分的事故均發(fā)生在電化學儲能電站正常運行期間，事故數為72起，占統(tǒng)計事故總數的80.0%。此外，有研究表明，相對于不加連接方式，并聯(lián)方式會加速鋰離子電池熱失控蔓延，因此，需重點關注電化學儲能電站運行期間的電池狀態(tài)。運行期間的事故可能是由于以下原因：
圖5 事故中電化學儲能電站狀態(tài)統(tǒng)計
（1）長期運行的累積效應：電化學儲能電站在運行期間，儲能電池會經歷成千上萬次的充放電循環(huán)，這種長期的循環(huán)會導致電池內部材料逐漸退化，電池安全性能遞減，從而增大電池熱失控的風險。
（2）高溫環(huán)境的影響：電化學儲能電站在運行期間，電池持續(xù)產生熱量，若電化學儲能電站的散熱系統(tǒng)設計不合理或運行期間出現故障，電化學儲能電站局部溫度可能會持續(xù)升高，高溫環(huán)境同時也會加速電池老化，多種不利環(huán)境降低了電化學儲能電站的整體安全性，增大了儲能電池的熱失控風險。
（3）系統(tǒng)負荷變化：電化學儲能電站在運行期間可能會面臨不同的負荷需求和工作模式，如頻繁地充放電、深度放電等情況，這些負荷變化會對電池系統(tǒng)造成更大的壓力和挑戰(zhàn)，進而增加電化學儲能電站的故障與事故風險。
（4）預警系統(tǒng)的可靠性不足：電化學儲能電站的預警系統(tǒng)和安全保護措施在運行階段需要持續(xù)穩(wěn)定地工作，預警系統(tǒng)的失效或誤報均可能引起事故。例如，電池在運行期間溫度持續(xù)上升，而預警系統(tǒng)發(fā)生故障，無法及時發(fā)現熱失控的早期跡象，進而導致電化學儲能電站故障演化為事故。因此，為了保證電化學儲能電站的安全運行，需加強對儲能電池系統(tǒng)的維護，定期檢查和更新設備，不斷完善預警系統(tǒng)。
（5）高SOC易導致過充：根據調查報告，約60%事故是在充電等待后發(fā)生，一方面，電池處于較高的SOC下易發(fā)生熱失控，當部分電池出現一致性差等缺陷時，容易出現過充現象。
1.3.4 事故致因統(tǒng)計及原因分析
電化學儲能電站的安全問題是系統(tǒng)性問題，事故的發(fā)生往往由多因素交互作用導致，如圖6所示。這些因素往往會導致鋰離子電池的三種濫用進而誘發(fā)鋰離子電池熱失控。本文將90起事故按照設備因素、環(huán)境因素及人為因素進行劃分統(tǒng)計，結果如圖7所示。設備因素主要來自電池本體和電機保護系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)絕緣性等，電池本體因素主要有電池瑕疵和本體老化。儲能電池在制造過程遺留的瑕疵，比如在涂布工藝過程中金屬污染物顆粒的摻入、隔膜太薄、正負極流體邊緣毛刺等缺陷，都會導致電池的一致性變差，部分儲能電池選用梯次利用的動力電池，導致電池的老化問題日益凸顯；電機保護系統(tǒng)主要是在外部電力沖擊下，鋰離子電池保護裝置內多數元器件受損，導致鋰離子電池保護裝置內的直流接觸器爆炸；冷卻系統(tǒng)損壞后絕緣性降低，容易導致外短路，進而引發(fā)火災。此外火災前景，水噴淋裝置誤報觸發(fā)也可能導致電池系統(tǒng)外短路進而引發(fā)火災。環(huán)境因素主要包括雨水滲入、周圍鍋爐房爆炸等，進一步引發(fā)鋰離子電池火災事故。在已知的因素中，人為因素是導致電化學儲能電站事故的主要因素，在90起電化學儲能電站事故中，有38起事故的直接和間接原因是人為因素，占比43.3%。相關原因如下。
圖6 鋰離子電池儲能系統(tǒng)安全事故誘發(fā)因素及其交互關系
圖7 電化學儲能電站事故致因統(tǒng)計
（1）人員操作失誤：電化學儲能電站的工作人員可能缺乏相關的培訓，如誤操作、忽視安全規(guī)程等。這些失誤會導致儲能電池出現過充、過放或短路等安全問題。2018年8月，中國某市磷酸鐵鋰電池倉在施工調試過程中發(fā)生火災，事故原因是操作人員反接電池導致過充電。2024年4月，中國某市集裝箱磷酸鐵鋰電池模組發(fā)生火災，事故原因是員工施工調試設備時誤操作致使消防水泵動作，引發(fā)高壓細水霧滅火系統(tǒng)噴水，造成電池系統(tǒng)內磷酸鐵鋰電池遇水短路故障。
（2）安全管理體系不健全：目前，各國正不斷完善電化學儲能電站的各個階段的法律法規(guī)，隨著儲能技術的發(fā)展，缺乏有效的安全管理體系和監(jiān)管機構，將導致員工忽視安全管理問題。例如，國家能源局綜合司發(fā)布的《關于加強電化學儲能電站安全管理的通知》中提出，業(yè)主(項目法人)是電化學儲能電站安全運行的責任主體，要將納入備案管理的電化學儲能電站安全管理納入企業(yè)安全管理體系，健全安全生產保證體系及監(jiān)督體系。建在高山、沿海地區(qū)的EESSs如果管理不善，水分、粉塵、鹽水等不斷侵入電池系統(tǒng)，將導致電池系統(tǒng)絕緣性不斷降低，可能引發(fā)火災。在設計階段，EESSs就應建立綜合管理體系。
（3）應急響應不及時：發(fā)生緊急情況時，若操作人員缺乏有效的應急響應和處理能力，可能會擴大事故。例如，北京“4.16”電化學儲能電站爆炸事故中，員工缺乏應急演練，采用干粉滅火劑撲救南樓的火災，不能及時撲滅初期火災，導致南樓火勢增大。南樓熱失控氣體通過電纜溝輸送至北樓，這些可燃氣體在北樓遇到電火花發(fā)生爆炸。
（4）安全意識不足：操作人員和管理人員的安全意識不足，可能會導致人員對潛在安全風險的忽視。例如，部分事故中，儲能電池發(fā)生電池組漏液、過熱、冒煙等現象，操作人員并未及時消除熱失控早期的安全隱患。
1.4 事故風險評估
為進一步確定風險因素對電化學儲能電站火災、爆炸事故影響的風險等級，利用風險矩陣法通過風險因素的發(fā)生概率和風險影響程度進行半定量評估。此方法具有直觀易懂、適用范圍廣、突出重點防范因素等優(yōu)點，因此，本文采用風險矩陣法評估風險因素的影響大小。根據調研得到的儲能電站事故信息，確定儲能電站風險類別和風險因素，如表3所示。風險類別包括人為風險、設備風險和環(huán)境風險三大類，風險因素包括操作不當、安裝疏忽、維護不足、管理不當、運營操作環(huán)境管理不善、電池制造瑕疵、電池老化、電池材料缺陷、儲能系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)故障、BMS/PCS/EMS異常、電池過充、消防設施不足、粉塵多、暴雨、環(huán)境高低溫等15種。
表3 儲能電站風險類別和風險因素
根據統(tǒng)計的電化學儲能電站事故案例，按照15種風險因素對90起事故發(fā)生的概率和嚴重度進行等級劃分，并對事故風險嚴重度和事故發(fā)生概率定量和定性分析，如表4和表5所示。
表4 事故風險嚴重度
表5 風險因素導致事故發(fā)生概率
德爾菲法又稱專家意見法，是利用定性和定量相結合的預測方法，本方法具有專業(yè)性強、匿名性、信息反饋性和統(tǒng)計判斷性等優(yōu)點，本文采用德爾菲法確定嚴重度。專家組由電池企業(yè)工程師3名、儲能電站安全工程師3人、消防救援人員2名組成，基于專家等權的原則，采用專家打分的算數平均值計算事故風險嚴重度，通過公式(1)計算。
其中，Cf0代表事故風險嚴重度專家打分結果，m分別代表專家的打分結果，n代表專家的數量。
Pf0為事故發(fā)生概率，可從事故案例統(tǒng)計結果獲取數據，接著，通過公式(2)計算出風險值Rf0，最后，根據計算出的風險值從表6中查出對應的風險等級。
表6 事故風險等級
其中，表中綠色區(qū)間[1，5]代表低風險；黃色區(qū)間[6，12]代表中等風險；紅色區(qū)間[15，25]代表高風險。然而，區(qū)間(5，6)，區(qū)間(12，15)未劃分到風險區(qū)域，因此，對區(qū)間進行修正，修正后的低風險區(qū)間為(1，5]，中等風險區(qū)間為(5，10%]，高風險區(qū)間為(10，20%]。根據上述理論基礎，對表3中15種風險因素的風險值進行計算，可得到其風險等級情況，計算結果如表7所示。
表7 儲能電站風險因素的風險等級
綜上所述，在15個風險因素中，儲能系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)故障、電池過充、消防設施不足、BMS/PCS/EMS異常和環(huán)境高低溫五個風險因素為高風險因素，從事故發(fā)生的概率和嚴重程度進行驗證，得出的結果與發(fā)生的事故情況相符。因此，針對這些風險因素提出相應的防控措施。
2 鋰離子電池儲能電站火災爆炸事故防控措施
本文從強化冷卻系統(tǒng)的可靠性、優(yōu)化電池系統(tǒng)防止過充措施、提高安全預警技術、提升消防安全技術水平和優(yōu)化消防救援技戰(zhàn)術策略五個方面提出鋰離子電池儲能電站火災爆炸事故防控措施。
2.1 強化冷卻系統(tǒng)的可靠性
冷卻系統(tǒng)是電化學儲能電站的重要部件。一方面，冷卻系統(tǒng)可以將電池自身和元器件產生的熱量及時散出，將鋰離子電池系統(tǒng)的溫度控制在安全范圍內；另一方面，當鋰離子電池發(fā)生熱失控時，冷卻系統(tǒng)可在一定程度上延緩熱失控蔓延的速率，避免事故進一步擴大。目前常用的冷卻技術包括風冷技術和液冷技術，風冷技術是通過自然通風和強制對流降低電池系統(tǒng)的溫度。液冷技術是以水、乙二醇水溶液、空調制冷劑等液體為介質，通過流動的介質將電池系統(tǒng)內部的熱量及時散出。由于液冷系統(tǒng)冷卻具有均勻性較好、冷卻效率高、壽命長、能耗及故障率低等優(yōu)點，液冷技術使用率快速攀升。然而，液冷系統(tǒng)的絕緣性要求更高，因為水、乙二醇水溶液一旦泄漏，可能造成電池系統(tǒng)外短路，引發(fā)熱失控甚至火災事故。為提升儲能電站冷卻系統(tǒng)的可靠性，需要對冷卻系統(tǒng)的絕緣性、冷卻液流量、溫度等參數進行定期維護檢查；此外，選用高質量且合適的冷卻設備和材料，選用高質量、知名品牌的冷卻設備，確保其性能的可靠性；研發(fā)先進的控制系統(tǒng)對冷卻系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，預測其使用壽命，從而及早發(fā)現并解決問題。同時，還可以優(yōu)化其能源分配，強化儲能電站冷卻系統(tǒng)的可靠性。
2.2 優(yōu)化電池系統(tǒng)防止過充措施
電化學儲能電站電池過充可能是多種因素造成的，一方面是電池老化導致電池內阻變化，引起過電壓現象，相應地，需派專員定期對電池進行檢查，發(fā)現電池老化或者損壞，應及時更換新電池；另一方面，充電過度可能導致電池的電壓超出安全范圍，當鋰離子電池的SOC為20%~80%時，電池充電放電內阻均很小，發(fā)熱量隨之降低；同時，在此區(qū)間的鋰離子電池不容易出現過充問題，大大降低了因鋰離子電池過充造成的火災風險，且在此區(qū)間內鋰離子電池的壽命大大延長。此外，外部電源系統(tǒng)故障導致過電壓，應配備外部電源保護裝置，同時需要提高外部電源保護裝置的可靠性，可通過BMS檢測電池系統(tǒng)的電壓、溫度等參數，當電池系統(tǒng)充電至電壓上限時，充電過程立即停止，確保其在安全范圍內。
2.3 提高早期安全預警技術
預警系統(tǒng)是儲能電站安全預防體系中最重要的部分，電池開始出現故障時發(fā)出預警信號，通過斷電等措施可完全預防熱失控和火災發(fā)生。儲能電池早期火災預警技術分為三級：電池表面缺陷及電池故障、早期熱失控和電池早期火災預警。
（1）電池表面缺陷檢測技術是通過日常安全檢查電池物理狀態(tài)的改變，并利用檢測算法對電池表面特征進行檢測。儲能電池故障檢測方法較為常見，利用超聲、反射式傾斜光纖光柵傳感探針、顯微鏡觀察、電化學阻抗譜等技術能夠在故障早期及時檢測到故障信號，并發(fā)出預警信號。但是這些方法尚處于實驗室階段。
（2）儲能電池熱失控早期到發(fā)生火災期間，大量特征參數會發(fā)生明顯變化，出現電壓升高、阻抗異常、溫度驟升、膨脹鼓包、熱失控氣體釋放、安全閥破裂等現象。儲能電站目前的預警技術通過電信號、熱信號、氣體信號、聲信號、煙霧信號進行預警。電信號和熱信號可通過電池管理系統(tǒng)實現，當某一特征參量超過閾值時發(fā)出預警信號，以實現早期安全預警的功能，此預警技術操作簡單，在儲能電站建設時已廣泛應用。由于電池內外溫差大，且電池模組的溫度很難檢測到，因此，溫度信號預警技術存在較大的局限性和滯后性。Li等提出一種在線阻抗檢測用于鋰電池早期預警，可以實現不同熱失控過程的精準預警。有研究表明過充誘發(fā)磷酸鐵鋰電池熱失控過程中，與碳酸乙烯酯、CO和CO2氣體相比，H2含量最高且最先被氣體探測器感知，且H2探測技術聯(lián)合斷電可有效抑制電池簇內部熱量集聚，此方法可實現熱失控早期預警，且裝置成本較低，目前在部分儲能電站已經有所應用，通過監(jiān)測熱失控過程中不同氣體的響應速度，可將H2、CO、CO2作為一級預警氣體，HCl、HF作為二級預警氣體。為避免電池內部壓力過大，電池頂部設置有安全閥，熱失控前期安全閥打開的聲音可以作為特征聲音被捕捉和識別，熱失控排氣聲音信號預警技術在少量數據的情況下達到了92.31%的準確率，當聲音信號預警系統(tǒng)采集到電池排氣聲信號采取斷電措施，可有效阻止電池熱失控蔓延，此預警技術具有實施方便、成本低等優(yōu)點，目前已經在兆瓦級儲能電站應用示范?；谝陨铣晒?，采用四個聲學傳感器可以實現電池故障報警和定位，定位誤差為0.1 m，本方法安裝較為簡便，成本低，因此在儲能電站預警中具有良好的應用前景。電池火災早期預警是通過探測早期火災特征參數進行預警，比如白色汽化電解液、高溫煙氣、火焰等特征，唐文杰等提出了一種基于氣液逸出物圖像識別的電池火災早期預警方法，該方法在實際鋰電池儲能艙汽化電解液具有良好的效果，平均精準度達到83.65%；美國Nexceris公司利用此技術研發(fā)了SnO2基陶瓷半導體氣體傳感器；王春力等分析了儲能電池熱失控過程，提出了典型的電化學儲能電站火災探測報警系統(tǒng)，目前基于氣液溢出物圖像識別的電池儲能系統(tǒng)早期預警技術十分成熟，但此階段的預警相對比較滯后。
（3）單一的預警方法一般無法滿足儲能電站安全預警的準確率和有效性，通過綜合考慮多因素融合技術，是儲能電站早期安全預警未來發(fā)展的方向。有學者通過實驗驗證了優(yōu)化設計集裝箱式鋰離子電池儲能系統(tǒng)消防安全早期預警方法，此方法考慮電信號、聲音信號和表面檢測綜合參量的變化，比傳統(tǒng)電池儲能系統(tǒng)早期預警方法提升了2.0%的準確率，且優(yōu)化設計早期預警方法的漏警率和誤警率降低了0.9%以上，劉同宇等將溫度、特征氣體、煙霧和揮發(fā)性有機化合物傳感器耦合，可提前15 min預警目標磷酸鐵鋰電池熱失控；因此，在提高儲能電站安全預警的精度和準確性的基礎上，降低成本是儲能電站預警的戰(zhàn)略方向，比如，采用BMS-聲信號、BMS-特征氣體、BMS-力信號多維度的預警技術，減少誤報、漏保、準確低等問題，此外，基于大數據、機器學習、算法優(yōu)化等技術的主動監(jiān)測技術對儲能電站的運行數據進行安全監(jiān)測，從而在電池故障發(fā)生的初期就進行預警，提高儲能電站早期安全預警，并在事故發(fā)生時，使用聯(lián)合消防系統(tǒng)，實現有效滅火，同時進行報警，實現對電化學儲能電站火災的監(jiān)測與智能研判功能。
2.4 提升消防安全技術水平
造成電化學儲能電站消防設施不足的原因包括多方面。目前，鋰離子電池儲能電站消防安全標準不足，僅有中國電力企業(yè)聯(lián)合會發(fā)布的團隊標準T/CEC 373—2020《預制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術規(guī)范》，此標準對電站的消防設計、建設和運維技術提出了技術要求。2024年9月30日，廣東省消防救援總隊印發(fā)了《電化學儲能電站消防安全技術標準(征求意見稿)》，此標準適用于廣東省新建、改建或者擴建的固定式電化學儲能電站，應加快建設鋰離子電池儲能電站消防安全標準體系。其次，針對電化學儲能電站火災的應對策略包括水噴淋以及七氟丙烷、全氟己酮、干粉等常規(guī)的滅火劑，七氟丙烷滅火效果有限，全氟己酮、干粉可以撲滅明火但無法抑制復燃，消防用水或者水噴淋系統(tǒng)可以有效冷卻電池系統(tǒng)，但無法完全撲滅火焰，另外，消防用水作為一種優(yōu)良導體會引發(fā)電池系統(tǒng)短路。缺乏針對性的消防滅火劑，常規(guī)的滅火劑無法實現既能快速滅火，又能高效降溫以及解決爆炸的問題；國內的電化學儲能電站大多采用磷酸鐵鋰電池，根據上文的分析，磷酸鐵鋰電池熱蔓延速度較慢，具有爆炸風險，滅火劑的設計應注重滅火，同時要考慮吸附或惰化可燃性氣體，進而降低電化學儲能電站爆炸的風險。
2.5 優(yōu)化消防救援技戰(zhàn)術策略
電化學儲能電站發(fā)生火災時，存在較多處置難點，如火場溫度高、煙氣濃度大，能見度低，火源不易查明。電池燃燒會產生有毒濃煙與易燃易爆氣體，給消防人員的滅火工作帶來較大困難。首先，消防救援隊伍需了解電站的電池類型、運行原理、分類構成、電站結構等信息。在消防救援行動中，對于事故現場有人員被困的情況，須采取“救人第一、科學施救”的原則，同步進行人員搜救、冷卻降溫、堵截火勢等行動；若消防現場無人員被困，則可采取“外部防控、冷卻降溫、遠程監(jiān)測、聯(lián)合評估”的措施；針對電擊、爆炸、中毒等情況，組織人員撤離至安全區(qū)域，穿戴防護套裝，使用監(jiān)測設備對電站集裝箱內部的溫度和氣體濃度進行監(jiān)測，防止爆炸對消防員的人身安全帶來危害，使用滅火機器人、移動水炮等設備進行遠距離滅火降溫工作。此外，開展儲能電站火災事故調查的研究，需要通過現場勘探、分析事故發(fā)生過程、消防救援情況、火災成因分析以及試驗和仿真驗證等方面，加強消防救援情況的研究，優(yōu)化消防救援技術，形成一套技術方案，靈活處置事故。
3 結論
通過調研全球90起涉及鋰離子電池電化學儲能電站事故，并從儲能電池類型、發(fā)生事故的國家、事故發(fā)生時電化學儲能電站運行狀態(tài)、事故致因4個方面進行統(tǒng)計分析，采用德爾菲法結合風險矩陣法對15種風險因素進行評估，得出高風險因素，提出針對性防控措施，主要得出以下結論。
（1）2017年11月至2024年9月期間，包括韓國、美國、中國在內的10個國家均發(fā)生過電化學儲能電站事故，其中，韓國是發(fā)生電化學儲能電站事故最多的國家，共發(fā)生了34起事故，美國也發(fā)生了25起事故，事故數量僅次韓國；由三元鋰電池引發(fā)的儲能電站事故數量是由磷酸鐵鋰電池引發(fā)的事故數量的2倍以上；72起事故均發(fā)生在電化學儲能電站正常運行期間；38起事故的直接因素為人為因素，占比高達43.3%，設備因素占比高達32.2%。
（2）通過事故篩選出15個風險因素，包括電池制造瑕疵、電池老化、電池材料缺陷、儲能系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)故障、BMS/PCS/EMS異常、電池過充、消防設施不足、操作不當、安裝疏忽、維護不足、管理不當、運營操作環(huán)境管理不善、粉塵多、暴雨、環(huán)境高低溫等。以德爾菲法和風險矩陣法評估風險因素，得出冷卻系統(tǒng)故障、電池過充、消防設施不足、BMS/PCS/EMS異常、環(huán)境高低溫五個風險因素為高風險因素。
（3）針對高風險因素，應從強化冷卻系統(tǒng)的可靠性、優(yōu)化電池系統(tǒng)防止過充措施、提高早期安全預警安全技術、提升消防安全技術水平、優(yōu)化消防救援技戰(zhàn)術策略五個方面提升電化學儲能電站整體安全性。
此外，為強化EESSs系統(tǒng)性安全，還應從電芯的設計和制造入手，提升其本質安全；完善安全生產管理制度，頒發(fā)強制標準禁止破損電池進入儲能電站；加大超早期預警技術研究力度，做到事故前數周預警；研發(fā)高效、冷卻、防爆、絕緣多功能的專用滅火劑和開展電池簇級消防測試，為電化學儲能電站安全、快速、長期發(fā)展提供技術保障。
