近年來，儲能電站火災爆炸事故屢見不鮮，據(jù)統(tǒng)計，過去一年全世界發(fā)生儲能電站火災超過30起。其中2017年8月至今，僅韓國就發(fā)生了29起儲能電站火災事故。此外，2019年4月19日，美國亞利桑那州發(fā)生電池儲能項目爆炸，導致4名消防員受傷，其中2名重傷。2021年4月16日下午，北京市豐臺區(qū)發(fā)生一起儲能電站熱失控起火事故，該事故造成1名值班電工遇難、2名消防員犧牲、1名消防員受傷。火災造成直接財產(chǎn)損失1660．81萬元。可見儲能電站一旦發(fā)生事故是多么的可怕。

什么是儲能電站？

就當它是個大號充電寶，商用兆瓦級別，家用的容量小點。為方便安裝運輸，通常以標準集裝箱規(guī)格制作外包箱體。

儲能電站并不全是鋰電池，鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池都有，飛輪啊、超導啊也都是，抽水蓄能從理論上來說也是一種儲能方式，只不過現(xiàn)在鋰電池風頭正勁，占比較高。

電化學儲能產(chǎn)業(yè)具有廣闊前景，但在熱失控時，可能引發(fā)火災甚至爆炸，并產(chǎn)生有毒氣體，造成經(jīng)濟損失和人員傷亡。工采網(wǎng)小編為大家介紹電化學儲能電站火災事故的特點及危害，并提出防控手段。

近年來，化石能源的日益枯竭和其所帶來的溫室效應(yīng)，使得人們逐漸摒棄傳統(tǒng)能源。越來越多的新能源，例如太陽能、氫能、風能等，開始接入電力系統(tǒng)。其中，鋰離子電池由于其具有循環(huán)壽命長、工作電壓高、能量密度高、自放電小等優(yōu)點，成為電化學儲能的主力。根據(jù)《國家發(fā)展改革委 國家能源局關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》（發(fā)改能源規(guī)〔2021〕1051號），到2025年，新型儲能裝機規(guī)模將達3000萬千瓦以上，因此，電化學儲能產(chǎn)業(yè)前景廣闊。

然而，鋰離子電池在過熱、過充放電和短路等濫用情況下，會發(fā)生熱失控。熱失控時，電池內(nèi)部發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量和有毒可燃氣體，并有可能引發(fā)火災甚至爆炸。同時，有毒氣體也會對人們的生命安全造成威脅，進而造成大量的經(jīng)濟損失和人員傷亡。因此，為了防止電化學儲能電站火災事故的發(fā)生，需要有效的防控手段。

電化學儲能電站火災特點及危害

1.電池升溫快 溫度高

電池在濫用條件下，電池溫度逐漸升高，電池內(nèi)部材料，如正負極材料、電解液相繼發(fā)生反應(yīng)。這些放熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱量在電池內(nèi)部慢慢積聚，使得電池溫度進一步升高，同時也促進了后續(xù)放熱反應(yīng)的發(fā)生。

當電池溫度達到熱失控臨界溫度時，電池發(fā)生熱失控，在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量，電池溫度驟升。從圖1可以看出， 電池表面溫度在熱失控時迅速從130℃上升至522℃。由于放熱反應(yīng)發(fā)生在電池內(nèi)部，因此電池內(nèi)部溫度更高，可以達到800～900℃，甚至1000℃。

2.伴隨猛烈射流火 燃燒劇烈

儲能電站常用的電池類型主要為方形硬殼電池，此類電池往往配置有安全閥，來避免因壓力過大發(fā)生爆炸。隨著電池溫度的升高，電池內(nèi)部產(chǎn)生一些可燃氣體。隨著可燃氣體的不斷積聚，電池內(nèi)部壓力逐漸增加，當電池內(nèi)部壓力達到電池安全閥破裂閾值時，電池安全閥破裂，大量的可燃氣體和電池內(nèi)部材料被噴射出。

當電池發(fā)生熱失控時，在電池極高溫度的作用下，可燃氣體和可燃物質(zhì)如電解液等被引燃，從安全閥處噴射出猛烈的射流火，火焰高度最高可以達到1米。

3.熱失控易傳播

在儲能電站中，電池緊密排列在一起形成模組。當模組中的一節(jié)電池發(fā)生熱失控時，緊密排列使得熱量可以迅速傳遞到相鄰電池，使相鄰電池異常升溫。此外，猛烈的射流火由于蓋板的阻擋，對相鄰電池的熱輻射增加，相鄰電池的溫度進一步升高，直至發(fā)生熱失控，最終，電池在模組中發(fā)生熱失控傳播。

4.氣體具有爆炸性

電池熱失控時，大量的氣體從安全閥噴射出，氣體主要為H2、CO、CO2、CH4、C2H4和電解液因高溫汽化產(chǎn)生的氣體。其中一部分可燃氣體會在燃燒中消耗，還有部分未燃燒的會積聚在模組內(nèi)部，隨著模組中熱失控傳播的不斷擴展，模組中可燃氣體越來越多，造成模組壓力增加，最終可能會因壓力過大發(fā)生物理爆炸。

此外，可燃氣體的濃度逐漸增加，當達到混合可燃氣體的爆炸極限，即超過爆炸下限6.1%時，熱失控電池的高溫作為點燃源，當遇到足夠的氧氣時，可燃氣體會發(fā)生化學爆炸，最大爆炸壓力可以達到0.76MPa，巨大的爆炸壓力可以對電池簇、集裝箱造成嚴重的破壞，進而帶來經(jīng)濟損失，甚至人員傷亡。例如在北京豐臺“4·16”儲能電站火災事故中，由于儲能電站發(fā)生了爆炸，導致2名消防人員死亡。

5.氣體具有毒性

電池熱失控產(chǎn)生的一些氣體除了具有可燃性之外，還具有危害很高的毒性，如 CO、HF（氟化氫）等。不同體系的電池在熱失控時產(chǎn)生的氣體成分及占比如圖2所示。

可以看出，CO和CO2占比很大。在熱失控時，CO濃度最高可以達到250ppm以上，已經(jīng)可以對人體產(chǎn)生嚴重的中毒危害。

HF是一種刺激性有毒氣體，具有腐蝕性，在50ppm濃度下活動數(shù)分鐘便有致死的風險。而一節(jié)容量為20Ah的100%SOC磷酸鐵鋰電池熱失控時，HF最高濃度約為145ppm，遠遠高于所規(guī)定的HF安全濃度。而儲能電站一個集裝箱中，有成百上千節(jié)電池，熱失控時將會使得這些有毒有害氣體的濃度急劇增加，大大增加了人員操作和救援的危險性。

如何防范？

目前沒有能夠保證鋰電池不發(fā)生熱失控的方法，那有沒有方法能夠及時發(fā)現(xiàn)預防鋰電池失控的方法呢？

電化學儲能電站火災早期探測和預警

在電池火災前期，進行有效準確地探測并預警，采取相應(yīng)的消防手段，防止火災的進一步蔓延。在安全閥打開前，應(yīng)做好電池故障診斷工作，及早進行預警。當電池安全閥打開時，會產(chǎn)生大量的氣體和煙霧，如CO的體積分數(shù)可以從2.4×10-6迅速增加至190×10-6。

此外，釋放氣體如CO2、CH4、揮發(fā)性有機化合物（VOC）等，在安全閥打開時都有明顯的增加，因此，可以通過相關(guān)的氣體傳感器，再配合煙霧傳感器、火災探測器、溫度傳感器等，根據(jù)電站電池的熱失控特性，設(shè)定相應(yīng)的預警閾值，將多種特征參數(shù)進行耦合，當不同傳感器參數(shù)達到所設(shè)閾值時，發(fā)出警報，實現(xiàn)鋰離子電池火災早期探測和預警，并根據(jù)警報采取相應(yīng)的控制措施，防止鋰離子電池火災的進一步擴大。

此外，應(yīng)根據(jù)量程和靈敏度，選取適當?shù)膫鞲衅骱吞綔y器，同時設(shè)置冗余系統(tǒng)，保證電站火災早期探測和預警裝置的準確響應(yīng)。

我們可以從動力鋰電池熱失控時產(chǎn)生的大量氣體入手，鋰離子電池熱失控的時候，電池內(nèi)部會有大量的一氧化碳釋放出來。一氧化碳不僅是易燃易爆的氣體，更可以與人體內(nèi)的血紅蛋白結(jié)合，使其失去與氧氣結(jié)合的能力，從而導致我們?nèi)毖跎踔林舷?。所以我們可以通過檢測一氧化碳的濃度來判斷電池熱失控。在這里工采網(wǎng)給大家推薦一款紐扣式一氧化碳傳感器（CO傳感器）TGS5141：

TGS5141一氧化碳傳感器CO傳感器是費加羅研發(fā)的可電池驅(qū)動的電化學式傳感器，使用一個特殊的電極取代了儲水器，由于去除了TGS5042中使用的儲水器，TGS5141與TGS5042相比，其外形尺寸縮減到只有后者的10％大小。非常適用于高集成電子產(chǎn)品，對CO的靈敏度高、將CO濃度線性輸出，設(shè)計方便，自帶出廠預標定靈敏度系數(shù)，方便用戶使用與性能追溯，壽命長達10年以上。

畢竟是事關(guān)我們的生命安全，對于精度還是有要求的，測量不準的話又怎么能給出正確的警報呢？TGS5141輸出電流與一氧化碳濃度之間在0～1，000ppm范圍內(nèi)顯示了± 5％以內(nèi)偏差的較高直線性。不同濃度CO對應(yīng)的輸出電流可以參考下圖。

同時我們也要關(guān)注傳感器的長期穩(wěn)定性，這就要求傳感器壽命足夠長，更要求傳感器輸出長期穩(wěn)定，不然會使報警值改變，造成早報晚報甚至不報等情況了。TGS5141的壽命長達十年以上，長期穩(wěn)定性也是十分優(yōu)秀，可以參考下圖。（Y軸顯示的是在任何時間點300ppm一氧化碳中的輸出電流（I）和測試第一天300ppm一氧化碳中的輸出電流（Io）的比值。）

儲能電站內(nèi)會有各種各樣的氣味，要是傳感器抗干擾性不好的話，也是很容易造成誤報的，所以這個傳感器要求對CO靈敏度高，對其他氣體的靈敏度越低越好。TGS5141就很好，對大部分氣體的靈敏度都是非常低的，對CO靈敏度又很高的，見下圖。

并且考慮到電站內(nèi)的溫度范圍是比較寬廣的，基本所有傳感器受溫度的影響又是比較明顯的，所以廠家針對TGS5141做出了溫度補償系數(shù)表，OEM客戶可以直接利用補償系數(shù)對傳感器進行溫度補償，從而使傳感器在不同溫度下也能有高精度的輸出。補償系數(shù)見下圖。

由此可見TGS5141是一款十分優(yōu)秀的CO傳感器，性能優(yōu)異、質(zhì)量可靠，可以為我們的生命財產(chǎn)安全添加一層保障。

審核編輯：符乾江