中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：就在2022年4月18日，位于美國亞利桑那州的錢德勒鋰電池存儲(chǔ)設(shè)施開始發(fā)生冒煙和悶燒情況并觸發(fā)火警，該情況以及持續(xù)近一個(gè)星期，當(dāng)?shù)叵啦块T使用機(jī)器人不斷打開存儲(chǔ)設(shè)施以排出設(shè)施內(nèi)部產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)。據(jù)相關(guān)新聞報(bào)道，該設(shè)施由Applied Energy Services (AES)所有，其內(nèi)部有存放超過 3200 塊鋰離子電池，總能量為10MW，具體起火原因還在調(diào)查之中。據(jù)AES有關(guān)負(fù)責(zé)人設(shè)施內(nèi)部的滅火系統(tǒng)一直在工作，但是情況并沒有改善，冒煙和悶燒的情況已經(jīng)一直在持續(xù)，致使當(dāng)?shù)厮姆种挥⒗锓秶鷥?nèi)的民眾開始進(jìn)行緊急疏散，當(dāng)?shù)叵啦块T也在密切關(guān)注該鋰電池存儲(chǔ)設(shè)施的進(jìn)一步情況，這也再一次讓當(dāng)?shù)孛癖妼?duì)這種清潔能源的安全性提出了質(zhì)疑。
鋰離子電池作為新能源動(dòng)力電池的代表已經(jīng)掀起了動(dòng)力電池汽車發(fā)展浪潮的新革命，因此更多的人也在思考其在儲(chǔ)能上的應(yīng)用潛力與可能性。目前，隨著鋰離子電池技術(shù)的不斷發(fā)展，鋰離子電池在儲(chǔ)能上的發(fā)展十分迅速，其應(yīng)用也已經(jīng)步入商業(yè)化運(yùn)行階段，但伴隨著鋰離子電池燃爆事故的層出不窮，人們對(duì)其安全性的憂慮始終是其大規(guī)模應(yīng)用與快速發(fā)展的一大門檻與阻礙。在之前的文章中，已經(jīng)從反應(yīng)機(jī)理上剖析了鋰離子電池內(nèi)部具有很強(qiáng)的燃爆條件，其內(nèi)部的易燃性材料如低熔點(diǎn)可燃有機(jī)脂類化合物、石墨負(fù)極材料都會(huì)成為相應(yīng)的“燃料”，在充放電以及運(yùn)行過程中不當(dāng)?shù)臒峁芾韺⒊蔀殇囯姵匕踩鹿实淖罱K導(dǎo)火索，引發(fā)燃爆事故，下圖對(duì)熱失控的引發(fā)過程做了形象的展示。
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目前，由于鋰離子電池由于其較高的能量密度，較長的使用壽命，被廣泛用作動(dòng)力電池，也被視作新能源電動(dòng)汽車的核心部件。然而，近些年屢屢可以聽到鋰離子電池燃爆事故的相關(guān)報(bào)道。電動(dòng)學(xué)堂研究報(bào)告對(duì)2014-2019年電動(dòng)車燃爆原因進(jìn)行了總結(jié)，文中列出的電動(dòng)車燃爆主要原因包括：電池自燃、汽車碰撞、設(shè)備故障、充電、線纜老化、零部件短路、浸水以及人為操作因素（具體占比如圖所示），在這些因素的作用下引起電動(dòng)車的熱失控，從而產(chǎn)生爆炸。據(jù)中國應(yīng)急管理部消防救援局報(bào)道，2021年1月至2021年7月，有總計(jì)6462起電動(dòng)車起火爆炸事故，平均每個(gè)月有超過900例電動(dòng)車事故，80％的電動(dòng)自行車火災(zāi)發(fā)生在充電時(shí)，絕大部分事故由于鋰電池燃爆引起。據(jù)新能源汽車國家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟報(bào)道，相比2019年，2020年起火事故增幅達(dá)47%，共發(fā)生124起。而2021年上半年有報(bào)道記錄56起電動(dòng)汽車起火爆炸事件。隨著新能源汽車的逐步推廣，鋰離子電池燃爆事故所引發(fā)公眾對(duì)其的焦慮有增無減。
而鋰電池儲(chǔ)能站方面也有相當(dāng)?shù)钠鸹鹑急录膱?bào)道。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近10年間，全球共發(fā)生超過30起儲(chǔ)能電站起火爆炸事故，據(jù)全國能源信息平臺(tái)報(bào)告不完全統(tǒng)計(jì)，全球共發(fā)生32起儲(chǔ)能電站起火爆炸事故，其中，日本1起、美國2起、比利時(shí)1起、中國3起、韓國24起。并且儲(chǔ)能電站起火爆炸具有一定特點(diǎn)，主要包括：事故電池種類多為三元鋰離子電池，且大都發(fā)生在充電及充電休止期間，韓國的儲(chǔ)能電站起火爆炸事故發(fā)生數(shù)量最為突出，可能也與其三元鋰離子電池為主流應(yīng)用有關(guān)。本文將著力于對(duì)近三年主要的鋰離子電池儲(chǔ)能領(lǐng)域嚴(yán)重的燃爆事故進(jìn)行較為細(xì)致的總結(jié)與梳理，主要包括：美國McMicken BESS儲(chǔ)能電站燃爆事故、韓國的忠清南道洪城“光伏+儲(chǔ)能”系統(tǒng)發(fā)生起火爆炸事故、北京集美大紅門25MWh直流光儲(chǔ)充一體化項(xiàng)目發(fā)生火災(zāi)爆炸事故、“維多利亞大電池”（VBB）項(xiàng)目起火事故以及莫斯蘭丁鋰離子儲(chǔ)能站設(shè)施電池融化事件。
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2019年6月11日，韓國通商產(chǎn)業(yè)資源部公布了韓國高發(fā)的儲(chǔ)能電站火災(zāi)調(diào)查結(jié)果，其結(jié)果報(bào)告對(duì)事故原因并沒有進(jìn)行準(zhǔn)確認(rèn)定，而是歸因于由于是世界上首次的大規(guī)模儲(chǔ)能電站的投入應(yīng)用而導(dǎo)致的無法確定的因素。在報(bào)告的23個(gè)起火電站中，電池制造商LG化學(xué)供應(yīng)了12個(gè)，三星SDI有8個(gè)，另外3個(gè)由其它電池制造商供應(yīng)。在報(bào)告中事故的可能原因被歸納為以下方面：
（1）電池系統(tǒng)缺陷：當(dāng)電池系統(tǒng)制造中存在缺陷的情況下，在電池過充時(shí)，因電池內(nèi)部短路火災(zāi)發(fā)生可能性會(huì)變高；
（2）針對(duì)電沖擊的保護(hù)體系不完善：當(dāng)過電壓或過電流流經(jīng)電池系統(tǒng)時(shí)，可能引發(fā)電池短路而引發(fā)電池起火；
（3）運(yùn)營環(huán)境管理及設(shè)置不周：安裝在山地或海邊的儲(chǔ)能裝置在高晝夜溫差下，引發(fā)反復(fù)冷凝現(xiàn)象以及灰塵吸附，進(jìn)而可能導(dǎo)致電池和模塊外殼間的接地部分絕緣層損壞，引起火災(zāi)；
（4）儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合管理體系欠缺：儲(chǔ)能電站缺乏綜合的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和保護(hù)也是起火問題的重要原因。
當(dāng)?shù)貢r(shí)間2019年4月19日，美國亞利桑那州最大的電力公司亞利桑那州公共服務(wù)公司 (APS)旗下的McMicken BESS儲(chǔ)能電站發(fā)生起火爆炸事故，并造成四人重傷。該儲(chǔ)能電站由2016年6月開始建設(shè)，至2017年3月正式投入運(yùn)行，規(guī)模為2 MW / 2 MWh，儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)總共27個(gè)電池架，每個(gè)電池架14個(gè)鋰離子電池模塊堆疊放置，每個(gè)電池模塊放置內(nèi)28個(gè)鋰離子電池。該系統(tǒng)在安全運(yùn)行25個(gè)月后發(fā)生起火爆炸。據(jù)Utility Arizona Public Service發(fā)布的事故調(diào)查報(bào)告顯示，該儲(chǔ)能站工程總承包商為AES Corporation (AES)，電池供應(yīng)商為LG Chem，其所使用的電池類型為鎳錳鈷三元鋰電池（NMC），能量密度超過200Wh/kg，為電池架上的一個(gè)電池運(yùn)行發(fā)生故障導(dǎo)致熱失控現(xiàn)象導(dǎo)致。該電池故障原因被認(rèn)定為由電池內(nèi)部缺陷導(dǎo)致，鋰離子電池運(yùn)行中鋰金屬不尋常的沉積與枝晶生長，在該電池失效并發(fā)生熱失控后，儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)部安裝的針對(duì)明火的滅火系統(tǒng)無法抑制鋰電池的熱失控，并且由于每個(gè)單獨(dú)電池架上的電池間沒有阻熱材料，熱量通過傳導(dǎo)到該放置架的每一個(gè)電池，并放出易燃?xì)怏w，并達(dá)到爆炸濃度。該易燃?xì)怏w在消防員打開集裝箱箱門時(shí)與空氣接觸引發(fā)爆炸。研究也報(bào)道了其它電池架由于合適安全放置距離并沒有受到事故電池影響（儲(chǔ)能集裝箱構(gòu)件安裝示意圖如下所示）。鋰電池枝晶是眾所周知的鋰離子電池失效模式，但很少出現(xiàn)在只運(yùn)行了大約兩年的儲(chǔ)能電池上。
儲(chǔ)能集裝箱構(gòu)件安裝示意圖1
儲(chǔ)能集裝箱構(gòu)件安裝示意圖2
McMicken BESS儲(chǔ)能電站事故后照片
當(dāng)?shù)貢r(shí)間2021年4月6日位于韓國的忠清南道洪城光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生起火爆炸，該儲(chǔ)能系統(tǒng)于2018年安裝并投入運(yùn)行，擁有3.4MW的光伏發(fā)電能力和10MWh的儲(chǔ)能能力，爆炸摧毀了0.5MW的儲(chǔ)能電池，據(jù)了解，該儲(chǔ)能電站的鋰離子電池電芯供應(yīng)商為LG新能源。根據(jù)韓國方面公布的調(diào)查結(jié)論，本次鋰電池火災(zāi)的起因包括電池過流過壓保護(hù)不足、運(yùn)行環(huán)境（濕度和灰塵）及安裝工藝有待改進(jìn)、ESS經(jīng)驗(yàn)不足等三大原因。
韓國的忠清南道洪城光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)起火爆炸照片
北京時(shí)間2021年4月16日，位于豐臺(tái)區(qū)西馬場甲14號(hào)的北京集美大紅門25MWh直流光儲(chǔ)充一體化項(xiàng)目發(fā)生火災(zāi)爆炸，事故造成3人遇難，1人重傷。該項(xiàng)目開發(fā)商為北京福威斯油氣技術(shù)有限公司，項(xiàng)目自2017年10月開始建設(shè)，2019年3月完成一期工程交付并投入運(yùn)行，并于2021年5月開始二期建設(shè)改造，事發(fā)前正處于設(shè)備調(diào)試階段，是北京市中心最大規(guī)模的商業(yè)用戶側(cè)儲(chǔ)能電站，北京市最大的光儲(chǔ)充示范項(xiàng)目工程。據(jù)官方發(fā)布的《豐臺(tái)區(qū)4.16較大火災(zāi)事故調(diào)查報(bào)告》，已投入使用的一期規(guī)模包括屋頂分布式光伏1.4MW、4MW/12MWh儲(chǔ)能以及12.5MWh充電樁。該事故中的南樓起火被認(rèn)定的直接原因?yàn)橛捎陔姵亻g內(nèi)的磷酸鐵鋰電池發(fā)生內(nèi)短路故障，引發(fā)電池?zé)崾Э仄鸹?。?bào)告中也報(bào)道了隨后開展的相關(guān)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э貢?huì)產(chǎn)生噴射物，主要為碳酸甲乙酯蒸汽和氫氣、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等，這些里面絕大部分是易燃?xì)怏w。而北樓爆炸直接原因被認(rèn)定為受南樓熱失控影響而產(chǎn)生的易燃易爆組分通過電纜溝進(jìn)入北樓儲(chǔ)能室并擴(kuò)散，與空氣混合形成爆炸性氣體，遇電氣火花發(fā)生爆炸。據(jù)電科院發(fā)布的《北京集美大紅門25MWh直流光儲(chǔ)充一體化電站項(xiàng)目事故分析》，該電站所用電池為國軒高科的磷酸鐵鋰電池，對(duì)于其電池?zé)崾Э卦螂娍普緢?bào)告指出由于獲得信息有限，無法做出準(zhǔn)確定論。但可能的原因就是電池內(nèi)部的電芯缺陷或者長期充放電下導(dǎo)致的枝晶鋰引發(fā)電池段落，也可能是外部電、熱沖擊導(dǎo)致電池內(nèi)部的不可逆放熱進(jìn)而造成電池?zé)崾Э?。其也在建議中提到需要加快新型本征安全儲(chǔ)能電池，切實(shí)保障儲(chǔ)能電站安全運(yùn)行。
北京集美大紅門25MWh直流光儲(chǔ)充一體化項(xiàng)目火災(zāi)爆炸現(xiàn)場
當(dāng)?shù)貢r(shí)間2021年7月30日上午10點(diǎn)15分，位于澳大利亞維多利亞州的當(dāng)時(shí)世界上最大的儲(chǔ)能項(xiàng)目之一“維多利亞大電池”（VBB）項(xiàng)目所裝載的特斯拉Megapack儲(chǔ)能系統(tǒng)在施工建設(shè)期間發(fā)生起火事故。“維多利亞大電池”項(xiàng)目力求幫助澳大利亞維多利亞州實(shí)現(xiàn)到到2025年40%可再生能源以及到2030年50%的可再生能源目標(biāo)，該項(xiàng)目由2020年12月開始施工建設(shè)，并在2021年12月8日正式開始投入運(yùn)營。該項(xiàng)目由212個(gè)Tesla Megapacks組成，項(xiàng)目規(guī)模為300 MW/450 MWh。維多利亞能源安全局官方調(diào)查報(bào)告顯示，起火原因最先被確定為由于電池艙外部的冷卻劑泄漏所引起的兩個(gè)特定位置同時(shí)的電池電路短路，該故障屬于罕見類故障，因此故障并沒有被及時(shí)檢測到從而引發(fā)火災(zāi)，火災(zāi)涉及兩個(gè)集裝箱系統(tǒng)緩慢自燃，并沒有引發(fā)爆炸。另外兩家機(jī)構(gòu)Fisher Engineering Inc (FEI) 和ESRG的獨(dú)立報(bào)告也對(duì)事故原因做出了相同的報(bào)告，認(rèn)為該事故的主要原因是由于冷卻劑的泄露導(dǎo)致的鋰電池?zé)峁芾硎Э?，并且可能在風(fēng)力作用下引發(fā)相鄰的另外一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)燃燒。特斯拉方面也表示會(huì)加強(qiáng)連接固件管理以及完成監(jiān)控和流程改進(jìn)，完善針對(duì)此類罕見事件的可檢測性和相關(guān)故障處理機(jī)制。該項(xiàng)目法國可再生能源生產(chǎn)商N(yùn)eoen擁有并運(yùn)營管理，由特斯拉公司作為工程總承包商。項(xiàng)目所使用的電池為特斯拉公司的Megapack，該鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)由電池模塊、發(fā)電器件、熱管理系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構(gòu)成，每個(gè)單元可以存儲(chǔ)超過 3 MWh 的能量，置于7.2m *1.6 m* 2.5 m的集裝箱內(nèi)，據(jù)有關(guān)報(bào)道Megapack系統(tǒng)目前使用的是方形磷酸鐵鋰電池，由于不需要鎳、鈷的使用以降低電池成本。
維多利亞大電池燃爆事故現(xiàn)場圖片
此外，今年2月份，位于加利福尼亞州Vistra Energy旗下的世界上規(guī)模最大的莫斯蘭丁鋰離子儲(chǔ)能站設(shè)施由于10個(gè)電池組完全融化而觸發(fā)了火警，由于冷卻裝置及時(shí)對(duì)電池進(jìn)行了冷卻處理，因此沒有造成更大的災(zāi)情。Vistra Energy此次電池組融化事件距離2021年9月份的融化事件的發(fā)生不到5個(gè)月，當(dāng)時(shí)被融化的電池組高達(dá)7000個(gè)，占全部近100000個(gè)電池組的7%。據(jù)Vistra Energy在今年1月份發(fā)布的聲明中提到，去年9月所發(fā)生的電池組融化事件是由于熱管理系統(tǒng)在極低的煙霧水平下錯(cuò)誤啟動(dòng)，并且系統(tǒng)中部分柔性軟管和管道上的少數(shù)接頭發(fā)生故障引發(fā)系統(tǒng)錯(cuò)誤地進(jìn)行噴水降溫，造成電池?fù)p壞而出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。該事故部分電站規(guī)模為300MW/1200MWh，二期電站(100MW/400MWh)并未受到影響。據(jù)其官方聲稱該低水平煙霧的產(chǎn)生是由于空氣處理裝置中的軸承故障，煙霧的產(chǎn)生并非電池的緣故。莫斯蘭丁鋰離子儲(chǔ)能站一期工程于2018年11月開始建設(shè)，2020年12月開始投入運(yùn)營，二期工程2020年9月開工，2021年7月交付調(diào)試。其電池供應(yīng)商為LG新能源，其生產(chǎn)電池種類主要以鎳鈷錳三元鋰電池為主。系統(tǒng)集成和工程承包商為Fluence，其目前總規(guī)模容量為400MW/1600MWh，也是世界上最大的電池存儲(chǔ)設(shè)施，今年2月份的電池融化現(xiàn)象還在進(jìn)一步調(diào)查之中。
隨著發(fā)電側(cè)的儲(chǔ)能規(guī)模越來越大，安全要求越來越高。改善鋰電池的安全管理是一種選擇，但是更安全的液流電池、壓縮空氣等新型儲(chǔ)能將得到更多的市場機(jī)會(huì)。
參考資料：
[1] Arizona Public Service. McMicken Battery Energy Storage System Event Technical Analysis and Recommendations[R]. America：Arizona Public Service，2020.
[2] 北京市應(yīng)急管理局. 豐臺(tái)區(qū)“4.16”較大火災(zāi)事故調(diào)查報(bào)告[R]. 北京：北京市應(yīng)急管理局，2021.
[3] 中國電力科學(xué)院研究有限公司. 北京集美大紅門25MWh直流光儲(chǔ)充一體化電站項(xiàng)目事故分析[R]. 北京：中國電力科學(xué)院研究有限公司，2021.
[4] ANDY BLUM, PE, CFEI. Victorian Big Battery Fire: July 30, 2021[R]. Australia：Fisher Engineering, Inc.，2021.
