锂离子电池火灾事故多发,原因何在?

原创 应急君

● 安全始终是锂离子电池储能行业发展的难点之一,同时,相关规程规范的缺失,也加剧着锂离子电池储能行业的安全发展压力。

● “一般来讲,导致锂离子电池发生火灾爆炸事故的直接原因是电池热失控。造成热失控,一方面是电芯内部本身有缺陷,另一方面,由外部撞击产生放热,也会导致热失控。可以确定的是,提高电池一致性,是确保电池组安全性和可靠性的重要路径。”

● “目前,国内储能安全的标准及相应规范还是比较滞后。发生事故必须把事故的真实原因找到,针对问题去提解决方案和整改措施。标准规范滞后的一部分,需要有关部门加紧研究和整改。”

日前,北京市丰台区储能电站起火爆炸事故调查报告发布。报告认为,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路故障,引发电池热失控起火。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。调查历时半年之久,对事故的来龙去脉进行了科学严谨的分析并得出结论,对行业的健康持续发展具有深刻的借鉴和指导意义。

今年4月14日,“储能国际峰会暨展览会(2021)”在北京国家会议中心隆重召开。作为中国储能产业最权威的产业研究报告,《储能产业研究白皮书2021》(以下简称白皮书)也在此次大会上公开发布。白皮书预计,“十四五”期间,我国的电化学储能市场将正式跨入规模化发展阶段。中国能源研究会理事长史玉波在会上表示,作为储能的重要表现形式,电化学储能具有设备机动性好、响应速度快、能量密度高和循环效率高等优势,伴随电化学成本净增力的显现,在可再生能源发展刚需下,电化学储能将迎来快速发展。

根据能量转换方式,电化学储能主要包括锂离子电池储能、铅蓄电池储能和液流电池储能。其中,锂离子电池具有循环特性好、响应速度快的特点,是目前电化学储能中主要的储能方式。一些对于电力供应要求有高质量且供应稳定的行业,例如医院、银行、指挥控制中心、通信基站等,大多使用锂离子电池储能作为应急UPS电源,保障供电的稳定性。但是锂离子电池自身也有缺点,安全始终是锂离子电池储能行业发展的难点之一。同时,相关规程规范的缺失,也在加剧着锂离子电池储能行业的安全发展压力。

提高电池一致性 降低事故风险

“一般来讲,导致锂离子电池发生火灾爆炸事故的直接原因是电池热失控。造成热失控,一方面是电芯内部本身有缺陷,例如电芯电压不平衡,使用老化或者电芯内产生枝晶现象从而造成短路。由此,电池组本身的BMS(电池管理系统)、内部结构设计、电芯质量、工艺管理等都非常重要。另一方面,由外部撞击产生放热,也会导致热失控。”如果新能源创新实验室技术总监黄峰表示,针对锂离子电池热失控的情况,目前国内主流的解决方法主要是从外部保护和内部改进两个方面进行改进。外部保护主要是指系统方面的升级改进,内部改进是指提高电池自身安全性能。

“安全预警和自动控制是提升电池安全性的两个主要方面。目前,大多数安全技术是基于利用多种传感器对锂电池的环节数据进行采集及分析,依据一定的运行数字模型,对采集数据进行在线分析,判断锂电池出现热失控风险的概率,从而自动触发安全应对装置及运营告警,控制热失控影响,将电池火灾风险降到最低。”黄峰补充说,但从根本上讲,锂离子电池热失控很难被预测。热失控的根本原因在于电芯内部不均衡、不一致,这会导致性能劣化的电池更快地衰变,甚至直接失效;也有一部分会产生热失控、燃烧和爆炸。这就意味着,如果电芯内的每一个微观的电极材料颗粒、隔膜到宏观的极片、壳体封装都百分之百一致,那么所组成的电池组就会有更好的安全稳定性。并且这个衰变到短路的过程会十分缓慢,且给出的电压信号不明显。通常情况下,发生事故的电池,往往是在短短的几分钟之内就进入了热失控。事故发生后,电池几乎全毁,事故调查困难重重,技术人员往往无法追踪,这也让相关研究遇到了困难。

“可以确定的是,提高电池一致性,是确保电池组安全性和可靠性的重要路径。同时,提供外部保护的相关安全技术发展也能为预防事故发生争取宝贵的时间。在预警技术方面,监测电池是否泄漏气体的传感器,至少能够在电池发生事故前5分钟进行有效预警;自毒化技术,在电池热失控的前期,自身能够释放化学物质,使得电池内部钝化,从而打断热失控的链条,避免事故发生。”黄峰说。

就如何提升电池安全性,宁德时代新能源科技股份有限公司高级工程师陈小波特别强调了电池安全防护的生命周期,“动力电池安全是系统工程,对电池的安全防护应该是全生命周期的。电池从开发设计到生产制造,到售后服务再到回收再生,都存在安全风险,要想办法规避这些风险。”他提出,在产品设计层面,要提高安全阈值,电池包从设计环节就要做到防水、防火、防撞、防高压漏电,同时做到高可靠性。注重制造过程的质量与安全管控,注重动力电池全生命周期的安全性,例如在早期阶段,需要注意软硬件故障及工艺、生产层面的问题;中期阶段需要关注偶然性失效问题,例如电芯的膨胀、低压连接件的老化、低压线束老化等。最后,要加强售后维护、安全预警与产品的报废处理。

另外,电化学储能电站设计合理性也很重要,要考虑到建设地周围的温度及气候,同时保证变压器、继电器等关键配套设备的安装和质量问题,这样才能提升储能电站整体安全环境,确保锂离子电池储能安全。

标准规范跟上 安全发展同步

技术标准滞后已成为影响这一产业规范化发展的主要症结。锂电池储能行业缺乏有效的引导政策和激励措施,这可能导致项目上设计过于简单、检验测试缺乏权威性统一性、电池安全存在隐患等问题。

“目前,国内储能安全的标准及相应规范还是比较滞后。发生事故必须把事故的真实原因找到,针对问题去提解决方案和整改措施。标准规范滞后的一部分,需要有关部门加紧研究和整改。”中关村储能产业技术联盟常务副理事长俞振华表示,从全球储能产业发展状况来看,锂电由于在动力电池领域的广泛应用,特性已被行业熟知,全球新建储能项目也基本以锂电为主,锂电的主流厂商在欧美市场保持比较低的事故率,部分项目的安全使用时间已经超过8年,国外很多有价值的经验已经转化成为规范和标准。这充分说明虽然锂电池存在易燃、热失控的风险,但通过严格有效的管控、从安全角度提高准入门槛,还是可以保障锂离子电池储能系统的安全性。加强安全管理既有必要,也能够让产业发展更健康。

据了解,目前我国锂离子电池储能行业的技术标准有国家标准和行业标准,具体包括《电化学储能电站设计规范》(GB51048—2014),《电化学储能电站监控系统与电池管理系统通信协议》(DL/T1989—2019),《电池储能功率控制系统变流器技术规范》(NB/T31016—2019),《光储系统用功率转换设备技术规范》(NB/T10186—2019)。

“尽管目前已颁布的标准涵盖了对电池本体的技术要求、装备技术条件等方面的内容,但对储能电站控制保护设备基本技术条件、储能电站及电池系统运行维护、储能电站运行环境要求、储能电站消防安全等方面的标准仍然缺乏。”黄峰补充道,“锂离子电池储能行业若要发展提速,我们认为还应聚焦在电池的安全性和可靠性等关键问题上,加大技术路线图的研究投入力度。”

(作者:本报记者 李金素)

锂离子电池火灾特征及扑救措施

常见安全隐患

一般来说,锂离子电池出现安全问题表现为燃烧甚至爆炸。出现这些问题的根源在于电池内部的热失控,此外,锂离子电池还可能受到一些外部因素的影响发生安全问题,如过充、火源、挤压、穿刺、短路等。

目前,市场上新能源汽车以三元锂电池和磷酸铁锂电池使用最为广泛。据统计,历年电动车锂离子电池火灾事故中,68%由于内部或者外部短路造成,15%由于充放电造成,7%由于设备意外启动造成,10%为其他原因造成。

从起火原因看,电气故障和自燃是造成电动车火灾的主要原因,而过充、电池单体故障、电气线路短路是导致火灾的根本原因。

火灾特征

气体逸出是锂离子电池失控的主要表现之一。锂离子电池起火,会急速喷出大量的白色烟雾, 其主要成分为锂电池电解液的蒸气或分解产物。在起火初期, 烟雾颜色差异是区分锂电池起火和常见火灾最明显的特征之一。

锂离子电池热失控后,分解出的可燃气体与空气混合形成爆炸性混合气体,遇锂电池喷射出的高温颗粒,在局部空间会发生爆燃,导致起火初期经常伴有爆炸声响。

火灾扑救方法

目前,锂离子电池火灾扑救主要有以下几种方法。

1. 将灭火效果较好的灭火剂与降温效果较好的灭火剂相结合。如使用全氟己酮和细水雾先后进行灭火,利用全氟己酮优良的灭火作用熄灭电池火焰,随后利用细水雾的降温作用,及时降低热失控电池温度和环境温度,防止电池发生复燃和热失控传播。

2. 通过间歇喷射灭火剂的方式进行高效灭火降温。以全氟己酮作为灭火剂,发生火灾时,首先喷射大量的全氟己酮进行灭火,降低模组中可燃气体的浓度。随后根据温度变化,多次少量的间歇喷射全氟己酮,进行有效降温和维持模组中全氟己酮的灭火浓度,防止电池发生复燃。

3. 将火灾抑制胶囊置于电池内部也可以抑制电池热失控,熄灭明火。抑制胶囊由全氟己酮、磷酸三甲酯和五氟丙烷组成。其中,全氟己酮为灭火剂,磷酸三甲酯为阻燃剂,五氟丙烷为驱动剂。电池热失控时,胶囊受热破裂,驱动剂将抑制剂推向电池内部,在短时间内熄灭电池火,并抑制电池内部反应,进而抑制热失控的进一步扩展,防止发生热失控传播、火灾蔓延等事故。值得注意的是,灭火后要及时排气泄压。电池热失控时,产生大量的可燃易爆气体,当电池火焰被熄灭后,这些可燃易爆气体仍积聚在电池模组或者预制舱内,因此需要在电池灭火后及时将这些可燃易爆气体排出,降低模组或预制舱内的压力和浓度。

(本报综合整理,任泽坤对本文亦有贡献)

来源:中国应急管理报 责任编辑:李金素

命是注定的,运是可以改变的,多行善,多积阴德。有缘人看见希望改变命运这里开始一、立命之学
第一篇立命之学主要讲述作者自己的故事。袁了凡自幼丧父,母亲命他学医。后来,他在慈云寺遇到一老者,自称孔先生(根据云南县志,此人是著名易学家杨向春,化名孔先生,曾著《皇极经世心易发微》一书),精通皇极数预测未来,说他有当官的命,孔先生告诉袁了凡他某年应当考第几名,某年当廪生,某年当贡生,贡后某年当选为县长,在任三年半就应该告退回乡,在五十三岁八月十四巳丑时,寿终在家里。把他什么时候考取功名,能考第几名,什么时候当官,什么时候寿尽,有没有孩子等都作了预测。一开始袁了凡不太相信,巧合的是,此后的二十年,袁了凡的人生真的按照这位老者所算定的模式进行着,连考第几名等每一次都十分精确地应验了,这让他笃信了宿命论,认为“荣辱生死,皆有定数”,从此没有了上进之心。直到他遇到云谷禅师,二人“对坐一室”,彻夜而谈,终使了凡醒悟,懂得了“命由我作,福自己求”的道理,知道了如何可以改变命运,他说:“吾于是而知,凡称祸福自己求之者,乃圣贤之言;若谓祸福惟天所命,则世俗之论矣。”也就是说,道德仁义自己可以力求,功名富贵也可以自己求得,要发挥人的主观能动性,相信人的命运掌握在自己的手中,而不是听命于天,听命于他人。从此,袁了凡的人生信念发生了根本改变,从笃信宿命论转到信仰命由我造、福善祸淫的人生观。他以自己的人生经历告诫我们,人的命运是可以改变的,其关键在于多做善事积累福报,在于自身的修为,要多做善事,消除恶念。这就是《立命篇》的主要内容。于是袁了凡开始积极改过向善,积累善业,许愿做三千件善事改命,次年礼部考科举,孔先生预算的应该得第三,忽然考中第一,预测开始不应验。但袁了凡仍觉自己有很多做得不足的地方,经过十余年,这三千善行才算完成。袁了凡一直没有子女,就继续发起求子的愿,也许愿行三千善事,辛巳年就生下了儿子天启。再发求中进士的愿,许行善事一万条。于丙戌年再次遂愿,中了进士,授宝砥县长。原本孔先生所算定的一生,在努力行善改命后,完全改变了,连寿命也延长至七十四岁而终。
许下做一万件善事的时候,袁了凡的妻子见到袁了凡所做的善事不多,就皱着眉头说:“以前我在家里帮助做善事,所以三千之数得以完成。现在许下了一万善,可是衙门里无事可做,到什么时候才能完成呢?”夜间就做了一个梦,梦见一个神人。袁了凡告诉他善事难以完成的缘故。神人说:“只减粮一节,一万善事都已经圆满了。”事情是这样的:原来宝砥的田,每亩应纳粮二分三厘七毫,袁了凡把它减至一分四厘七毫,使上万的人民减轻了负担。虽然神人这样告诉我,但我自己的心里还有此疑惑。恰遇幻余弹师从五台山来,我便把这梦告诉他,并问这个梦可以相信吗? 禅师说:“只要发心真切,那么,一件事就可以抵得上一万件的善事,何况全县减粮,万民受惠呢?”二、改过之法
第二篇讲改过自己的办法,袁了凡认为改过自己要发三心:即惭愧心、畏惧心、勇猛心。惭愧心、畏惧心可以使自己认识到错误,有充足的动力进行改正。勇猛心是指虽然很多人知道道理,但是得过且过,或严重拖延,没有真正实行,而勇猛心正是改过、改命的关键,只有知道道理后勇猛实干才能真正获得益处。并且讲了改过的道理,有从事上改的,有从理上改的,更有从起心动念处除净的。如果没有从理、从心,只是从事的表面强戒不好的事情,但病根还在,东灭西生。故袁了凡认为改过更应该从理、从心。从事改过只是治标不治本,但是急需治标的时候仍可使用。
三、积善之方
第三篇讲积善的办法,讲述了十余个因为积善而获得好报的故事,有讲述其实善恶并非我们想象的那么简单,善事要分为“端曲、阴阳、是非、偏正、半满、大小、难易”这七个方面,里面有引用几个经典故事。如引用了孔子的故事,子路救人拿了赏赐,孔子说子路做得对;而子贡赎人,没有要赏赐,孔子说做得不对,因为现行虽善,而其流风足以害入,那是似善而实非善。现在所做的虽似不善,而其流风足以济人,则其实却是善的。里面亦列举了十条可以行善的门类并作了相应解释:第一、与人为善。第二、爱敬存心。第三、成人之美。第四、劝人为善;第五、救人危急。第六、兴建大利。第七、舍财作福。第八、护持佛法。第九、敬重师长。第十、爱惜物命。
四、谦德之效
第四篇谦德之效主要讲谦虚这项美德的效用,正所谓“满招损,谦受益”,讲述了“天道亏盈而益谦”的道理。并解释道如果一个人有福气,将要成功,就会自然而然有一股谦和吉祥之气外露,里面讲述了数个故事来证明。最后总结了整本书的内容,说明了改命要立志而行,命自我立,有了志向而努力,自然可以改变命运。书中名句:“有志于功名者,必得功名;有志于富贵者,必得富贵。人之有志,如树之有根,立定此志,须念念谦虚,尘尘方便,自然感动天地,而造福由我。

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