“2020儲能安全國際高峰論壇”由合肥市科學技術局、合肥高新技術產業開發區管理委員會指導，中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室和安徽中科中渙防務裝備技術有限公司主辦，中關村儲能產業技術聯盟、國網安徽省電力有限公司和杭州高特電子設備股份有限公司協辦，會上，歐盟科學院院士、中國科學技術大學教授孫金華發表了題為“電化學儲能電站安全保障技術”的主題演講，分別從電化學儲能電站發展及火災形勢、國家儲能發展的現狀、鋰離子電池著火機理與火災特性、電化學儲能電站火災安全技術進展、技術展望五個方面進行闡釋。

電化學儲能電站發展及火災形勢

儲能是各個國家的戰略重要組成部分，也是能源互聯網的一個重要環節，所以，世界上各個國家都非常重視儲能，據統計，到2019年底，全球已投入的儲能項目，累計裝機規模達到了184.6GW，尤其電化學儲能發展非常迅速。

在電化學儲能當中，鋰電池裝機規模最大，占電化學儲能的81%，國際上如美國從2007年開始就陸續頒布了許多法令，來推動電化學儲能的發展。歐盟也投入了巨資，例如2018年6月，在歐盟的地平線計劃當中，投資150億歐元，來支持可再生能源儲存和有競爭力的產業鏈。我們的鄰國在儲能，尤其是電化學儲能走在世界的前列，韓國相應的儲能企業在全球電化學儲能市場上已經占據了舉足輕重的地位。

國家儲能發展的現狀

我們國家這幾年發展速度非常迅猛，未來也會以類似指數級的增長態勢。但是隨著全球電化學儲能的快速發展，也帶來了一些安全隱患，韓國在2018年5月到2019年5月，短短一年左右的時間，有一千多座電化學儲能電站，總共發生23起火災，每座年發生火災概率達到1.5%，這是不可接受的概率。

我們國家這幾年儲能電站也在蓬勃發展，也發生了一系列的儲能電站火災，例如2017年，山西某火力發電廠儲能系統發生大火。2018年，總投資1.9億元的鎮江揚中儲能電站的火災。發電側、電網側、用戶側都已經相繼陸陸續續有各類火災的發生，應該說儲能電站的火災為電化學行業的發展敲響警鐘，因此2019年國家電網兩次對電化學儲能踩了急剎車，主要的原因是安全問題沒有得到徹底解決。如何解決瓶頸問題，保障電化學儲能行業的安全健康發展，這是學界、產業界和各位同仁需要面臨和解決的問題。

鋰離子電池著火機理與火災特性

為了搞清楚電池發生火災的機理和規律，首先研究了電池系統各個材料，單一材料的分解反應特性，材料和材料之間的化學反應特性、產熱機理，這個地圖顯示的是正極材料與電解液的反應，大概140多度就開始有放熱反應存在，250多度時，放熱非常劇烈。這是負極材料與電解液的反應，峰值溫度在90度左右就發生放熱反應。到達150度以上就會放出大量的熱量。

整個電池體系，包括正極材料、負極材料、電解液等，這些物質的綜合反應是一個非常復雜的過程。根據反應綜合曲線，再結合數理化算法、單個物質的反應、反應中間產物的測量，就可以把復雜的反應分解成多種分反應，可以得到每個分反應的開始反應熱度，它的放熱量等，從而找出哪個反應是誘發電池著火的反應，哪一個反應是控制電池著火的主控反應。

通過化學方面的研究發現，發生化學反應需要達到八九十度，電池系統正常的使用溫度是常溫，在電池使用過程中，無論單個電池，還是電池系統，都會在充放電過程中放熱，熱量如果不及時導出，會使電池系統溫度升高到發生化學反應的臨界溫度，從而誘發化學反應。我們把鋰離子電池發生火災甚至爆炸事故的歷程以及跟溫度的關系做了這個圖，首先是循環產熱，這是物理的熱量，從而誘發化學反應。

為研究電池著火的火災特性，為此我們設計了一個基于ISO9705的標準的大型鋰離子電池火災危險測試平臺。在這個平臺上進行50-310AH的試驗，首先電池在失控之前會膨脹，達到一定界值以后會出現第一次噴射火，如果這個電池是一個高SOC的，它會發生多次噴射火現象，直到里面的材料燃盡。同時我們利用自己搭建的平臺，對不同類型的電池發熱量進行了測量，得到了熱射放速率和射放量的數據。

同時，國外的學者利用氣相色譜與ACR得到了它噴射過程中產生的氣體的含量，這些氣體釋放到空間都會在氣相發生火災。但是電池熱失控的時候，不僅僅會產生這些氣體，用不同方法測量會得到不同的氣體。

除了做單個電池的特性以外，同時還做了電池組的火災蔓延的情況。比如對四個電池模組做的試驗的情況，同時測了它的熱射放速率，對二號電池進行加熱，一號、三號、四號不加熱，二號電池著火以后，發生的火災會對周圍的電池進行加熱，一段時間以后，三號電池發生著火，隔二十分鐘左右，一號、四號電池發生爆炸，當然這個發生爆炸不是所有的電池都發生爆炸，磷酸鐵鋰電池相對安全一些。

對組裝的九個電池溫度狀況進行了詳細測量，同時也對方形電池，進行了系統的試驗研究，大量測量了前表面、后表面、后面等的溫度，有了這些溫度，再結合傳熱模型，就建立了電池模組的內部熱失控的傳播模型，也揭示了他們的傳播機制。

電化學儲能電站火災安全技術問題

現在電儲能火災很多，原因有這么幾個：

1、缺乏適用電化學儲能電站的消防設計規范。目前這個規范是2014年發布的，在消防規范里面提了應符合國標50016建筑設計防火規范，電化學儲能和建筑是有天壤之別的，誘發火災的因素不一樣，火災的形態也不一樣。有的地方要求應根據國標配置消防器等，沒有完全根據電化學儲能電站的特性、危險性、風險制定相應的規范。后來出臺《小型儲能電站消防安全技術條件》，這里面也有一些消防的要求，但是距真正的電化學儲能電站消防要求還是差距巨大。

2、缺乏對電池的異常診斷、電池熱失控預測預警技術。電化學儲能電站的BMS系統控制整個電池系統的溫度，盡量延長電池的壽命，提高電池的使用效率。但是若某些電池發生故障，也會誘發火災，對于這樣異常事故的預測預警技術，目前是缺乏的。在強制規定下，現在的滅火藥劑有的采用水系，更多的采用七氟丙烷，水系滅火效果較好，用在單個電池的滅火是沒問題的，因為單個電池在出廠之前都要進行親水試驗；但是用在電池模組上就存在問題，電池進行串并聯以后，輸出電壓從幾百伏到上千伏的電壓，如果使用水系滅火劑，可能會造成外部短路，誘發火災。

比較之下，七氟丙烷的滅火效果更為良好，但是由于電池火災的根本是在電池內部的化學反應，如果對它滅火僅僅把氣相火焰滅了，電池內部化學反應速度不降低，火災是難以撲滅的。所以它不具備防治電池復燃的功能，同時也是一次噴灑，一旦當電池二次或三次復燃，無法阻燃。

電化學儲能電站火災安全技術進展

1、電化學儲能電站火災安全設計規范正在修改，現在的規范并不是拍腦袋得來的，它是基于電芯以及模組的火災性能，以及電池模組之間的火焰的傳播性能，還有預測預警技術的試驗來進行電化學儲能電站的規范修改，這對我們電化學儲能安全有一個指導的意義。同時高效熱管理與準確可靠熱失控預警的技術也在發展，主要是根據電化學性能，以及循環產熱的特性，還有電池的傳熱，電池與電池之間的傳熱特性，進行BMS的優化。另一個方面，根據電池熱失控的一些試驗，來提取熱失控過程中的關鍵的參數，這些參數往往是多參數融合的結果，可以甄別出哪些用來預測預警，對它進行智能判斷，從而研發出具有高效的熱管理和可靠的預警技術。

2、高效熱管理與準確可靠的熱失控預測預警技術。

通過溫度、CO等、煙霧、火焰、VOC、電阻電壓，基于判斷進行分級預警，一級要進行故障預警，二級要干預，三級要滅火等。這些特性參數是根據不同類型的電池，以及不同SOC狀態的電池來對它進行過充、外短路、內短路、環境加熱等，得出使它熱失控、表觀的參數，再結合電池的結構和傳熱模型，從而得到電池多參數融合的預警參數閾值。

3、快速精準滅火與抗復燃技術。團隊對不同的滅火藥劑，例如水、七氟丙烷、二氧化碳、氣溶膠等這些滅火藥劑進行了系統的試驗，從這些滅火的試驗來看，七氟丙烷滅火效果較好，二氧化碳稍弱。如果電池模組使用水系滅火，要防止產生短路，對滅火器要求快速滅火、高效冷卻，而且冷卻、絕緣。對滅火技術要求防止復燃，兼具多次滅火的功能。為此，在這里主要是通過滅火劑來實現，我們推薦全氟己酮，方法是首次快速釋放，而后多次緩釋解決降溫和復燃問題。這個技術在中科中渙得到了產業化，在今年得到了2020儲能技術創新典范TOP10的大獎。

最后是技術展望。現在的技術進展，應該從以下兩個方面展開。

1、集高效熱管理、故障診斷、預警和滅火協同的一體化技術。首先把電化學儲能電站通過各類傳感器，以及基礎數據通過輸入接口輸入到系統里，系統里有熱管理模型、預測預警模型、處置滅火模型，根據這些模型的智能運算，對數據進行處理和智能判斷，如果是正常運維，就發出指令正常運維，如果異常，就對它進行處置，而且這個系統一定要智能化、小型化、輕量化、節約化。

2、發展基于互聯網云數據下的智能安全管理技術。不僅是某一個儲內能電站的儲能柜，實際上要把全國的數據都要收集起來，在互聯網以及云數據情況下進行智能管理，在智能安全管理平臺基礎上，還要有基礎數據、預測模型、實施監測監控的傳感器，同時對它進行智能分析，最后來保障我們整個行業的儲能電站的安全。

預告：2021年8月25日至28日，在合肥將要舉辦第二屆國際鋰離子電池的安全研討會，第一屆是去年在合肥成功舉辦，參會人員接近三百人，包括十幾個國家和地區，同時與一些著名的火災安全方面的期刊合作，把優秀的論文進行發表。