中國儲能網訊：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設施開始發(fā)生冒煙和悶燒情況并觸發(fā)火警，該情況以及持續(xù)近一個星期，當地消防部門使用機器人不斷打開存儲設施以排出設施內部產生的化學物質。據相關新聞報道，該設施由Applied Energy Services (AES)所有，其內部有存放超過 3200 塊鋰離子電池，總能量為10MW，具體起火原因還在調查之中。據AES有關負責人設施內部的滅火系統(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一直在持續(xù)，致使當地四分之一英里范圍內的民眾開始進行緊急疏散，當地消防部門也在密切關注該鋰電池存儲設施的進一步情況，這也再一次讓當地民眾對這種清潔能源的安全性提出了質疑。
鋰離子電池作為新能源動力電池的代表已經掀起了動力電池汽車發(fā)展浪潮的新革命，因此更多的人也在思考其在儲能上的應用潛力與可能性。目前，隨著鋰離子電池技術的不斷發(fā)展，鋰離子電池在儲能上的發(fā)展十分迅速，其應用也已經步入商業(yè)化運行階段，但伴隨著鋰離子電池燃爆事故的層出不窮，人們對其安全性的憂慮始終是其大規(guī)模應用與快速發(fā)展的一大門檻與阻礙。在之前的文章中，已經從反應機理上剖析了鋰離子電池內部具有很強的燃爆條件，其內部的易燃性材料如低熔點可燃有機脂類化合物、石墨負極材料都會成為相應的“燃料”，在充放電以及運行過程中不當的熱管理將成為鋰電池安全事故的最終導火索，引發(fā)燃爆事故，下圖對熱失控的引發(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，被廣泛用作動力電池，也被視作新能源電動汽車的核心部件。然而，近些年屢屢可以聽到鋰離子電池燃爆事故的相關報道。電動學堂研究報告對2014-2019年電動車燃爆原因進行了總結，文中列出的電動車燃爆主要原因包括：電池自燃、汽車碰撞、設備故障、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車的熱失控，從而產生爆炸。據中國應急管理部消防救援局報道，2021年1月至2021年7月，有總計6462起電動車起火爆炸事故，平均每個月有超過900例電動車事故，80％的電動自行車火災發(fā)生在充電時，絕大部分事故由于鋰電池燃爆引起。據新能源汽車國家大數據聯(lián)盟報道，相比2019年，2020年起火事故增幅達47%，共發(fā)生124起。而2021年上半年有報道記錄56起電動汽車起火爆炸事件。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)公眾對其的焦慮有增無減。
而鋰電池儲能站方面也有相當的起火燃爆事件的報道。據不完全統(tǒng)計，近10年間，全球共發(fā)生超過30起儲能電站起火爆炸事故，據全國能源信息平臺報告不完全統(tǒng)計，全球共發(fā)生32起儲能電站起火爆炸事故，其中，日本1起、美國2起、比利時1起、中國3起、韓國24起。并且儲能電站起火爆炸具有一定特點，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，韓國的儲能電站起火爆炸事故發(fā)生數量最為突出，可能也與其三元鋰離子電池為主流應用有關。本文將著力于對近三年主要的鋰離子電池儲能領域嚴重的燃爆事故進行較為細致的總結與梳理，主要包括：美國McMicken BESS儲能電站燃爆事故、韓國的忠清南道洪城“光伏+儲能”系統(tǒng)發(fā)生起火爆炸事故、北京集美大紅門25MWh直流光儲充一體化項目發(fā)生火災爆炸事故、“維多利亞大電池”（VBB）項目起火事故以及莫斯蘭丁鋰離子儲能站設施電池融化事件。
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2019年6月11日，韓國通商產業(yè)資源部公布了韓國高發(fā)的儲能電站火災調查結果，其結果報告對事故原因并沒有進行準確認定，而是歸因于由于是世界上首次的大規(guī)模儲能電站的投入應用而導致的無法確定的因素。在報告的23個起火電站中，電池制造商LG化學供應了12個，三星SDI有8個，另外3個由其它電池制造商供應。在報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：當電池系統(tǒng)制造中存在缺陷的情況下，在電池過充時，因電池內部短路火災發(fā)生可能性會變高；
（2）針對電沖擊的保護體系不完善：當過電壓或過電流流經電池系統(tǒng)時，可能引發(fā)電池短路而引發(fā)電池起火；
（3）運營環(huán)境管理及設置不周：安裝在山地或海邊的儲能裝置在高晝夜溫差下，引發(fā)反復冷凝現(xiàn)象以及灰塵吸附，進而可能導致電池和模塊外殼間的接地部分絕緣層損壞，引起火災；
（4）儲能系統(tǒng)綜合管理體系欠缺：儲能電站缺乏綜合的系統(tǒng)進行設計和保護也是起火問題的重要原因。
當地時間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公司 (APS)旗下的McMicken BESS儲能電站發(fā)生起火爆炸事故，并造成四人重傷。該儲能電站由2016年6月開始建設，至2017年3月正式投入運行，規(guī)模為2 MW / 2 MWh，儲能集裝箱內總共27個電池架，每個電池架14個鋰離子電池模塊堆疊放置，每個電池模塊放置內28個鋰離子電池。該系統(tǒng)在安全運行25個月后發(fā)生起火爆炸。據Utility Arizona Public Service發(fā)布的事故調查報告顯示，該儲能站工程總承包商為AES Corporation (AES)，電池供應商為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，為電池架上的一個電池運行發(fā)生故障導致熱失控現(xiàn)象導致。該電池故障原因被認定為由電池內部缺陷導致，鋰離子電池運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，儲能集裝箱內部安裝的針對明火的滅火系統(tǒng)無法抑制鋰電池的熱失控，并且由于每個單獨電池架上的電池間沒有阻熱材料，熱量通過傳導到該放置架的每一個電池，并放出易燃氣體，并達到爆炸濃度。該易燃氣體在消防員打開集裝箱箱門時與空氣接觸引發(fā)爆炸。研究也報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（儲能集裝箱構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)在只運行了大約兩年的儲能電池上。
儲能集裝箱構件安裝示意圖1
儲能集裝箱構件安裝示意圖2
McMicken BESS儲能電站事故后照片
當地時間2021年4月6日位于韓國的忠清南道洪城光伏+儲能系統(tǒng)發(fā)生起火爆炸，該儲能系統(tǒng)于2018年安裝并投入運行，擁有3.4MW的光伏發(fā)電能力和10MWh的儲能能力，爆炸摧毀了0.5MW的儲能電池，據了解，該儲能電站的鋰離子電池電芯供應商為LG新能源。根據韓國方面公布的調查結論，本次鋰電池火災的起因包括電池過流過壓保護不足、運行環(huán)境（濕度和灰塵）及安裝工藝有待改進、ESS經驗不足等三大原因。
韓國的忠清南道洪城光伏+儲能系統(tǒng)起火爆炸照片
北京時間2021年4月16日，位于豐臺區(qū)西馬場甲14號的北京集美大紅門25MWh直流光儲充一體化項目發(fā)生火災爆炸，事故造成3人遇難，1人重傷。該項目開發(fā)商為北京福威斯油氣技術有限公司，項目自2017年10月開始建設，2019年3月完成一期工程交付并投入運行，并于2021年5月開始二期建設改造，事發(fā)前正處于設備調試階段，是北京市中心最大規(guī)模的商業(yè)用戶側儲能電站，北京市最大的光儲充示范項目工程。據官方發(fā)布的《豐臺區(qū)4.16較大火災事故調查報告》，已投入使用的一期規(guī)模包括屋頂分布式光伏1.4MW、4MW/12MWh儲能以及12.5MWh充電樁。該事故中的南樓起火被認定的直接原因為由于電池間內的磷酸鐵鋰電池發(fā)生內短路故障，引發(fā)電池熱失控起火。報告中也報道了隨后開展的相關實驗發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池熱失控會產生噴射物，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氣體。而北樓爆炸直接原因被認定為受南樓熱失控影響而產生的易燃易爆組分通過電纜溝進入北樓儲能室并擴散，與空氣混合形成爆炸性氣體，遇電氣火花發(fā)生爆炸。據電科院發(fā)布的《北京集美大紅門25MWh直流光儲充一體化電站項目事故分析》，該電站所用電池為國軒高科的磷酸鐵鋰電池，對于其電池熱失控原因電科站報告指出由于獲得信息有限，無法做出準確定論。但可能的原因就是電池內部的電芯缺陷或者長期充放電下導致的枝晶鋰引發(fā)電池段落，也可能是外部電、熱沖擊導致電池內部的不可逆放熱進而造成電池熱失控。其也在建議中提到需要加快新型本征安全儲能電池，切實保障儲能電站安全運行。
北京集美大紅門25MWh直流光儲充一體化項目火災爆炸現(xiàn)場
當地時間2021年7月30日上午10點15分，位于澳大利亞維多利亞州的當時世界上最大的儲能項目之一“維多利亞大電池”（VBB）項目所裝載的特斯拉Megapack儲能系統(tǒng)在施工建設期間發(fā)生起火事故?！熬S多利亞大電池”項目力求幫助澳大利亞維多利亞州實現(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，該項目由2020年12月開始施工建設，并在2021年12月8日正式開始投入運營。該項目由212個Tesla Megapacks組成，項目規(guī)模為300 MW/450 MWh。維多利亞能源安全局官方調查報告顯示，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特定位置同時的電池電路短路，該故障屬于罕見類故障，因此故障并沒有被及時檢測到從而引發(fā)火災，火災涉及兩個集裝箱系統(tǒng)緩慢自燃，并沒有引發(fā)爆炸。另外兩家機構Fisher Engineering Inc (FEI) 和ESRG的獨立報告也對事故原因做出了相同的報告，認為該事故的主要原因是由于冷卻劑的泄露導致的鋰電池熱管理失控，并且可能在風力作用下引發(fā)相鄰的另外一個儲能系統(tǒng)燃燒。特斯拉方面也表示會加強連接固件管理以及完成監(jiān)控和流程改進，完善針對此類罕見事件的可檢測性和相關故障處理機制。該項目法國可再生能源生產商Neoen擁有并運營管理，由特斯拉公司作為工程總承包商。項目所使用的電池為特斯拉公司的Megapack，該鋰電池儲能系統(tǒng)由電池模塊、發(fā)電器件、熱管理系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構成，每個單元可以存儲超過 3 MWh 的能量，置于7.2m *1.6 m* 2.5 m的集裝箱內，據有關報道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能站設施由于10個電池組完全融化而觸發(fā)了火警，由于冷卻裝置及時對電池進行了冷卻處理，因此沒有造成更大的災情。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個月，當時被融化的電池組高達7000個，占全部近100000個電池組的7%。據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誤啟動，并且系統(tǒng)中部分柔性軟管和管道上的少數接頭發(fā)生故障引發(fā)系統(tǒng)錯誤地進行噴水降溫，造成電池損壞而出現(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。據其官方聲稱該低水平煙霧的產生是由于空氣處理裝置中的軸承故障，煙霧的產生并非電池的緣故。莫斯蘭丁鋰離子儲能站一期工程于2018年11月開始建設，2020年12月開始投入運營，二期工程2020年9月開工，2021年7月交付調試。其電池供應商為LG新能源，其生產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設施，今年2月份的電池融化現(xiàn)象還在進一步調查之中。
隨著發(fā)電側的儲能規(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、壓縮空氣等新型儲能將得到更多的市場機會。
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] 北京市應急管理局. 豐臺區(qū)“4.16”較大火災事故調查報告[R]. 北京：北京市應急管理局，2021.
[3] 中國電力科學院研究有限公司. 北京集美大紅門25MWh直流光儲充一體化電站項目事故分析[R]. 北京：中國電力科學院研究有限公司，2021.
[4] ANDY BLUM, PE, CFEI. Victorian Big Battery Fire: July 30, 2021[R]. Australia：Fisher Engineering, Inc.，2021.
