中國儲能網(wǎng)訊：
摘 要 隨著鋰離子電池在電化學(xué)儲能電站的廣泛應(yīng)用，電化學(xué)儲能電站火災(zāi)和爆炸事故頻繁發(fā)生。為深入研究這些事故的致災(zāi)因子，本文統(tǒng)計了2017年11月至2024年9月期間全球范圍內(nèi)發(fā)生的90起涉及鋰離子電池的電化學(xué)儲能電站火災(zāi)爆炸事故，并圍繞電池類型、發(fā)生事故的國家、儲能電站的運行狀態(tài)、事故致因四個方面進(jìn)行了統(tǒng)計分析；采用德爾菲法與風(fēng)險矩陣法對設(shè)備風(fēng)險、人為風(fēng)險和環(huán)境風(fēng)險涉及的15個風(fēng)險因素進(jìn)行了系統(tǒng)評估。研究結(jié)果表明：三元鋰電池更容易引發(fā)火災(zāi)爆炸事故，由其引發(fā)的事故數(shù)量是磷酸鐵鋰電池的2.5倍；韓國發(fā)生的事故數(shù)量最多，共34起，占全球事故總數(shù)的37.8%；電化學(xué)儲能電站在運行期間發(fā)生事故的最多，共計72起，占事故總數(shù)的80.0%；在事故致因中，人為因素導(dǎo)致的事故占比最大，為43.3%；冷卻系統(tǒng)故障、電池過充、BMS/PCS/EMS異常、消防設(shè)施不足和環(huán)境高低溫五個風(fēng)險因素為高風(fēng)險因素。針對這些高風(fēng)險因素，本文提出了相應(yīng)的防控措施，以提升電化學(xué)儲能電站的整體安全性。
關(guān)鍵詞 電化學(xué)儲能電站；火災(zāi)爆炸事故；統(tǒng)計分析；風(fēng)險矩陣法
目前，能源危機(jī)與環(huán)境污染已經(jīng)成為制約現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的兩大問題。聯(lián)合國提出可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，在七十五屆聯(lián)合國大會上，中國響應(yīng)全球氣候變化挑戰(zhàn)，提出“碳達(dá)峰”和“碳中和”兩大目標(biāo)。2024年作為“碳達(dá)峰”的關(guān)鍵點與窗口期，中國構(gòu)建了綠色安全的新型儲能系統(tǒng)，以加快推進(jìn)“碳達(dá)峰”工作。目前主流的新型儲能方式包括泵送儲能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能、電化學(xué)儲能等。電化學(xué)儲能電站利用電化學(xué)原理，通過充放電過程來儲存和釋放電能的系統(tǒng)，在可再生能源整合、電網(wǎng)調(diào)峰、應(yīng)急電源等方面發(fā)揮著重要作用。近年來，可再生能源發(fā)電技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用加快了電化學(xué)儲能技術(shù)應(yīng)用，根據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟(China Energy Storage Alliance，CNESA)的統(tǒng)計，中國自2011年以來開始建設(shè)電化學(xué)儲能電站(electrochemical energy-storage stations，EESSs)，截至2023年底，電化學(xué)儲能累計裝機(jī)規(guī)模已達(dá)21500兆瓦，2011—2023年間，我國累計電化學(xué)儲能裝機(jī)規(guī)模年增長率均保持在20%以上，展現(xiàn)出持續(xù)快速增長的趨勢，如圖1所示。
圖1 中國2011—2023年電化學(xué)儲能裝機(jī)發(fā)展態(tài)勢
電化學(xué)儲能電站主要包括電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)、電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(power conversion system，PCS)、能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)、監(jiān)控和通信系統(tǒng)、冷卻與溫控系統(tǒng)、安全與保護(hù)系統(tǒng)及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施。隨著電池技術(shù)的發(fā)展，電化學(xué)儲能電站的電池多樣。目前，常見的儲能電池類型包括鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池、超級電容等，不同儲能電池的對比見表1。在多種儲能方式中，鋰離子電池憑借著技術(shù)成熟、能量密度高、循環(huán)穩(wěn)定性好等優(yōu)點脫穎而出。根據(jù)國家能源局的統(tǒng)計，如圖2所示，近三年來，鋰離子電池在中國電化學(xué)儲能電站分布中占絕對位置。例如2023年，鋰離子電池在全國電化學(xué)儲能總裝機(jī)量中占98.1%。
表1 不同儲能電池特點的對比
圖2 近三年中國電化學(xué)儲能電池類型占比
然而，鋰離子電池具有電解液的熱不穩(wěn)定性、電化學(xué)反應(yīng)的放熱性等缺點，當(dāng)鋰離子電池遭遇電濫用、機(jī)械濫用、自身缺陷、老化破損時，電池內(nèi)部材料的物理與化學(xué)性質(zhì)可能發(fā)生變化，導(dǎo)致鋰離子電池溫度呈現(xiàn)不可控上升，常伴隨著氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、電解液蒸汽、氟化氫等有毒、有害氣體的釋放，同時，這些混合氣體具有易燃易爆性，一旦在集裝箱等受限空間聚集，遇到火源極易發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。例如，表2統(tǒng)計了部分由鋰離子電池引發(fā)的電化學(xué)儲能電站的安全事故。這些事故不僅對人民生命財產(chǎn)造成巨大損失，而且嚴(yán)重影響了鋰離子電池在電化學(xué)儲能電站大規(guī)模的應(yīng)用。
表2 近年來電化學(xué)儲能電站的典型安全事故案例
為探究電化學(xué)儲能電站鋰離子電池安全事故成因，郭鵬宇等結(jié)合一起儲能電站磷酸鐵鋰電池火災(zāi)事故，通過過充、短路試驗分析了事故原因；曹文炅等結(jié)合韓國鋰離子電池儲能電站安全事故，探究了電池本體、運行環(huán)境、外部激源及管理系統(tǒng)四類要素對電池系統(tǒng)安全事故的觸發(fā)及演化規(guī)律，并研究了各因素之間的相關(guān)影響機(jī)制；牛志遠(yuǎn)等通過仿真模擬了單一儲能艙爆炸對周圍儲能艙的沖擊，并研究了加裝隔離措施對抑制儲能艙爆炸蔓延的效果；Shen等[9]以一起電化學(xué)儲能電站爆炸事故為研究對象，運用系統(tǒng)理論事故模型結(jié)合過充試驗分析了爆炸事故原因；韓鈺等調(diào)查了一起光伏儲能電站磷酸鐵鋰電池預(yù)制艙火災(zāi)，經(jīng)過事故調(diào)查，事故原因是配電箱因外部高壓沖擊短路引起火災(zāi)；為保障電化學(xué)儲能電站的安全運行，寧雪峰等采用AHP-TOPSIS法對電化學(xué)儲能電站的綜合安全水平進(jìn)行評估。
目前的研究大多是針對一起電化學(xué)儲能電站事故進(jìn)行原因分析，缺少對電化學(xué)儲能電站事故案例的統(tǒng)計分析，本研究篩選出自2017年11月至2024年9月期間的90起涉及鋰離子電池的電化學(xué)儲能電站事故案例，從電池類型、事故發(fā)生的國家、事故發(fā)生時電化學(xué)儲能電站運行狀態(tài)、事故致因4個方面進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)合德爾菲法和風(fēng)險矩陣法探究電化學(xué)儲能電站事故的多層原因，計算15種風(fēng)險因素的風(fēng)險值，對風(fēng)險因素的風(fēng)險值大小進(jìn)行排序，從而提出針對性的預(yù)防措施，為后續(xù)降低電化學(xué)儲能電站事故風(fēng)險提供參考。
1 事故統(tǒng)計及分析
1.1 事故來源
為確保數(shù)據(jù)的真實性與全面性，通過訪問國內(nèi)外新聞媒體官方網(wǎng)站和中國知網(wǎng)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(CNKI)檢索等方式進(jìn)行事故案例調(diào)研。由于部分事故案例時間跨度較大，公開報道的信息量有限，無法獲得事故詳細(xì)信息，但每起事故的發(fā)生國家、時間、事故電池類型等情況基本清晰。本次統(tǒng)計的事故案例信息相對完善，樣本具有較強(qiáng)的代表性，可作為事故基本特征規(guī)律研究的數(shù)據(jù)支撐。經(jīng)過多方信息互相驗證，從2017年11月開始，到2024年9月，共有90起涉及鋰離子電池電化學(xué)儲能電站火災(zāi)爆炸事故。
1.2 事故分類維度
電池本質(zhì)安全至關(guān)重要，三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池安全性不同，全新電池、廢舊電池、循環(huán)利用電池安全性也不同。因此，針對已發(fā)生的電化學(xué)儲能電站事故中涉及的電池種類進(jìn)行分類，探究是否存在某類鋰離子電池更容易引發(fā)儲能電站火災(zāi)爆炸事故。探究是否存在某一國家或地區(qū)事故發(fā)生頻率更高，對事故發(fā)生國家進(jìn)行分類。儲能電站是一個復(fù)雜系統(tǒng)，不同運行時間、運行狀態(tài)的電站可能發(fā)生事故的概率不同。電化學(xué)儲能電站的投運時間也對電站安全運行產(chǎn)生較大的影響，因此，對電化學(xué)儲能電站發(fā)生火災(zāi)爆炸事故時的運行狀態(tài)進(jìn)行分類。系統(tǒng)安全理論廣泛應(yīng)用于事故原因分析，使用錢學(xué)森院士提出的“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)工程理論劃分工程管理和事故分析，以“人、電池本體、環(huán)境”為三因素，進(jìn)行事故致因分類，探究各類事故發(fā)生的主要原因。
1.3 事故統(tǒng)計結(jié)果及原因分析
1.3.1 電化學(xué)儲能電站事故中儲能電池類型統(tǒng)計及原因分析
為滿足高速增長的能源需求，電化學(xué)儲能電站普遍選擇高能量密度的電池作為儲能單元，在此過程中往往忽視了其潛在的安全風(fēng)險，儲能電站的事故類型主要包括火災(zāi)、爆炸、中毒、燙傷、連鎖反應(yīng)等，考慮全球范圍內(nèi)統(tǒng)計范圍大，相對于其他事故類型，火災(zāi)、爆炸事故產(chǎn)生的后果比較嚴(yán)重，為保證統(tǒng)計的準(zhǔn)確性和代表性，僅對火災(zāi)、爆炸事故進(jìn)行了統(tǒng)計。在事故統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)和爆炸有時存在相繼發(fā)生的現(xiàn)象，因此，本文將事故后果分為三類：火災(zāi)事故、爆炸事故以及火災(zāi)爆炸事故，統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示。鋰離子電池發(fā)生火災(zāi)事故的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于爆炸事故的數(shù)量，此外，三元鋰電池更容易造成儲能電站事故，85起已知鋰離子電池種類的電化學(xué)儲能電站事故中，由三元鋰電池引起的電化學(xué)儲能電站事故數(shù)達(dá)61起，占比約71.8%，主要原因如下。
圖3 事故中鋰離子電池類型分布
（1）三元鋰電池更容易發(fā)生熱失控。研究表明，三元鋰電池?zé)崾Э赜|發(fā)溫度比磷酸鐵鋰電池的熱失控觸發(fā)溫度更低，且熱失控觸發(fā)時間更早，這是由于三元鋰電池正極材料的熱穩(wěn)定性較差，并且隨著三元鋰電池內(nèi)部鎳含量的增加，導(dǎo)致其熱穩(wěn)定性下降，熱失控觸發(fā)溫度更低。此外，隨著電池荷電狀態(tài)(SOC)的增大，三元鋰電池?zé)崾Э氐拿舾行詫岣?，電壓突變更快，危險性也變得越發(fā)明顯。
（2）三元鋰電池更容易起火和熱失控蔓延。有研究表明，采用外部加熱方式觸發(fā)鋰離子電池單體熱失控時，外部加熱很難引燃磷酸鐵鋰電池，而三元鋰電池可自發(fā)引燃和噴射，且誘發(fā)三元鋰電池單體熱失控需要的熱量更少，另外，三元鋰電池不需要外部的氧氣就可以發(fā)生燃燒，這是由于三元鋰電池?zé)崾Э剡^程中其正極材料分解產(chǎn)生氧氣，加快了三元鋰電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)。相對于磷酸鐵鋰電池模組，三元鋰電池模組更容易發(fā)生熱失控蔓延，且發(fā)生熱蔓延速度更快，這是由于三元鋰電池?zé)崧舆^程產(chǎn)生的熱量更多。
（3）三元鋰電池?zé)崾Э貢尫鸥嗟囊兹家妆詺怏w。有研究表明，單位容量的三元鋰電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣量是磷酸鐵鋰電池的2倍以上，因此，在一個受限的空間內(nèi)，三元鋰電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的可燃性氣體更容易達(dá)到爆炸下限，增大了三元鋰電池發(fā)生火災(zāi)、爆炸的風(fēng)險。
基于三元鋰電池的上述特性，其在安全性方面需要更加嚴(yán)格的監(jiān)管。因此，國家能源局綜合司2022年6月29日發(fā)布《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求(2022年版)(征求意見稿)》，其中提到中大型電化學(xué)儲能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池，不宜選用梯次利用動力電池，選用梯次利用動力電池時，應(yīng)進(jìn)行一致性篩選并結(jié)合溯源數(shù)據(jù)進(jìn)行安全評估。在國家政策的要求下，我國電化學(xué)儲能電站火災(zāi)爆炸事故數(shù)量明顯下降，之后僅發(fā)生3起事故。爆炸事故不容忽視，在7起儲能電站相關(guān)爆炸事故中，2起事故是儲能設(shè)備本體發(fā)生爆炸，之后引起火災(zāi)；1起事故是集裝箱電池系統(tǒng)內(nèi)著火，當(dāng)消防員打開集裝箱艙門擾動了熱失控氣體，熱失控氣體遇到高溫電池在集裝箱內(nèi)發(fā)生爆炸；1起是由于鋰電池?zé)崾Э貧怏w在集裝箱聚集遇到點火源爆炸；2起爆炸事故是在用水冷卻起火電池系統(tǒng)時發(fā)生的，這是由于水導(dǎo)致電池系統(tǒng)外短路，引發(fā)電池系統(tǒng)熱失控；1起是由于一個儲能間起火，電池系統(tǒng)產(chǎn)生的熱失控氣體通過電纜溝進(jìn)入另外一個儲能間內(nèi)聚集，之后發(fā)生爆炸。儲能電站爆炸大部分是由于電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生大量可燃性氣體，這些氣體在儲能電站(艙)等受限場所內(nèi)聚集，達(dá)到其爆炸極限范圍，一旦遇到電火花、高溫?zé)嵩吹惹闆r，就會發(fā)生爆炸。爆炸常帶來沖擊波、碎片沖擊、有毒氣體、熱輻射、振動等危害。此外，在爆炸事故中，磷酸鐵鋰電池發(fā)生的爆炸事故數(shù)量是三元鋰電池的兩倍左右，磷酸鐵鋰電池爆炸風(fēng)險更值得關(guān)注，這是由于磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э貧怏w的爆炸范圍更寬。
1.3.2 發(fā)生國家統(tǒng)計及原因分析
經(jīng)統(tǒng)計，電化學(xué)儲能電站火災(zāi)爆炸事故發(fā)生在韓國、美國、中國、澳大利亞、法國、德國、比利時、瑞典、英國、新加坡。由圖4可知，韓國最多，發(fā)生的事故數(shù)高達(dá)34起，占統(tǒng)計事故總數(shù)的37.8%，可能原因有以下幾個方面：2013年，韓國的儲能項目不足30個。韓國在其可再生能源證書獎勵政策激勵下，對儲能項目的大力推廣，在一定程度上催生了行業(yè)快速發(fā)展，截至2019年，韓國的儲能項目已經(jīng)快速攀升至1490個。根據(jù)事故調(diào)查報告，電池缺陷、電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)不良、經(jīng)營環(huán)境不足、安裝疏忽、儲能系統(tǒng)管理不善是導(dǎo)致儲能電站事故的原因。電池自身的安全問題也是導(dǎo)致事故頻發(fā)的一個重要因素，韓國電化學(xué)儲能電站多選用三元鋰電池，這主要因為韓國各大電池企業(yè)以三元鋰電池為主流產(chǎn)品，根據(jù)中國能源網(wǎng)統(tǒng)計的25起韓國電化學(xué)儲能電站事故，事故中的鋰離子電池均為三元鋰電池。與此同時，電池管理系統(tǒng)或預(yù)警系統(tǒng)存在缺陷，可能導(dǎo)致無法及時發(fā)現(xiàn)并處理異常情況。
圖4 各國電化學(xué)儲能電站發(fā)生事故數(shù)量
在統(tǒng)計的事故中，美國共發(fā)生25起火災(zāi)爆炸事故；其次是中國，共發(fā)生13起，歐盟國家共發(fā)生17起事故。從發(fā)生事故所用電池類型來看，美國一半以上的儲能電站事故使用的儲能電池為三元鋰電池，而中國和歐盟國家儲能電站大部分使用磷酸鐵鋰電池。從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面分析，德國、日本是在IEC/EN 62619基礎(chǔ)上，根據(jù)自身國家的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行補充，運用到本國，對儲能電池的機(jī)械安全要求較多；美國和加拿大采用UL 1973、UL 9540A等系列標(biāo)準(zhǔn)，對儲能電池環(huán)境測試和熱失控測試較全面；中國目前采用的是GB/T 36276、GB/T 34131等標(biāo)準(zhǔn)，中國標(biāo)準(zhǔn)更注意測試結(jié)果。2023年，中國、美國、德國、韓國、日本為全球電化學(xué)儲能累計裝機(jī)的前五大國家，裝機(jī)規(guī)模也是影響美國事故多發(fā)的一個因素，儲能電站的規(guī)模越大，電池數(shù)量越多，排列相對密集，單個電池發(fā)生故障時容易引發(fā)連鎖反應(yīng)，增加整體系統(tǒng)的安全風(fēng)險，此外，大規(guī)模儲能系統(tǒng)的管理和監(jiān)測難度也更大，需要更高效和精確的電池管理系統(tǒng)來避免過充、過放等問題。
1.3.3 電站事故中儲能電站運行狀態(tài)統(tǒng)計及原因分析
電站分為建設(shè)、調(diào)試、運行和維護(hù)階段。系統(tǒng)集成、施工運維到安全管理等方面可能存在的缺陷也不容忽視。根據(jù)事故信息可知，韓國電化學(xué)儲能電站事故多數(shù)發(fā)生在充電中或充電后靜置過程中，電池長期在高電流密度下快速充電或低溫下充電，電池負(fù)極表面容易形成鋰枝晶，鋰枝晶的生長易刺破電池隔膜，導(dǎo)致電池內(nèi)短路，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)、爆炸事故。由圖5可見，大部分的事故均發(fā)生在電化學(xué)儲能電站正常運行期間，事故數(shù)為72起，占統(tǒng)計事故總數(shù)的80.0%。此外，有研究表明，相對于不加連接方式，并聯(lián)方式會加速鋰離子電池?zé)崾Э芈?，因此，需重點關(guān)注電化學(xué)儲能電站運行期間的電池狀態(tài)。運行期間的事故可能是由于以下原因：
圖5 事故中電化學(xué)儲能電站狀態(tài)統(tǒng)計
（1）長期運行的累積效應(yīng)：電化學(xué)儲能電站在運行期間，儲能電池會經(jīng)歷成千上萬次的充放電循環(huán)，這種長期的循環(huán)會導(dǎo)致電池內(nèi)部材料逐漸退化，電池安全性能遞減，從而增大電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險。
（2）高溫環(huán)境的影響：電化學(xué)儲能電站在運行期間，電池持續(xù)產(chǎn)生熱量，若電化學(xué)儲能電站的散熱系統(tǒng)設(shè)計不合理或運行期間出現(xiàn)故障，電化學(xué)儲能電站局部溫度可能會持續(xù)升高，高溫環(huán)境同時也會加速電池老化，多種不利環(huán)境降低了電化學(xué)儲能電站的整體安全性，增大了儲能電池的熱失控風(fēng)險。
（3）系統(tǒng)負(fù)荷變化：電化學(xué)儲能電站在運行期間可能會面臨不同的負(fù)荷需求和工作模式，如頻繁地充放電、深度放電等情況，這些負(fù)荷變化會對電池系統(tǒng)造成更大的壓力和挑戰(zhàn)，進(jìn)而增加電化學(xué)儲能電站的故障與事故風(fēng)險。
（4）預(yù)警系統(tǒng)的可靠性不足：電化學(xué)儲能電站的預(yù)警系統(tǒng)和安全保護(hù)措施在運行階段需要持續(xù)穩(wěn)定地工作，預(yù)警系統(tǒng)的失效或誤報均可能引起事故。例如，電池在運行期間溫度持續(xù)上升，而預(yù)警系統(tǒng)發(fā)生故障，無法及時發(fā)現(xiàn)熱失控的早期跡象，進(jìn)而導(dǎo)致電化學(xué)儲能電站故障演化為事故。因此，為了保證電化學(xué)儲能電站的安全運行，需加強(qiáng)對儲能電池系統(tǒng)的維護(hù)，定期檢查和更新設(shè)備，不斷完善預(yù)警系統(tǒng)。
（5）高SOC易導(dǎo)致過充：根據(jù)調(diào)查報告，約60%事故是在充電等待后發(fā)生，一方面，電池處于較高的SOC下易發(fā)生熱失控，當(dāng)部分電池出現(xiàn)一致性差等缺陷時，容易出現(xiàn)過充現(xiàn)象。
1.3.4 事故致因統(tǒng)計及原因分析
電化學(xué)儲能電站的安全問題是系統(tǒng)性問題，事故的發(fā)生往往由多因素交互作用導(dǎo)致，如圖6所示。這些因素往往會導(dǎo)致鋰離子電池的三種濫用進(jìn)而誘發(fā)鋰離子電池?zé)崾Э?。本文?0起事故按照設(shè)備因素、環(huán)境因素及人為因素進(jìn)行劃分統(tǒng)計，結(jié)果如圖7所示。設(shè)備因素主要來自電池本體和電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)絕緣性等，電池本體因素主要有電池瑕疵和本體老化。儲能電池在制造過程遺留的瑕疵，比如在涂布工藝過程中金屬污染物顆粒的摻入、隔膜太薄、正負(fù)極流體邊緣毛刺等缺陷，都會導(dǎo)致電池的一致性變差，部分儲能電池選用梯次利用的動力電池，導(dǎo)致電池的老化問題日益凸顯；電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)主要是在外部電力沖擊下，鋰離子電池保護(hù)裝置內(nèi)多數(shù)元器件受損，導(dǎo)致鋰離子電池保護(hù)裝置內(nèi)的直流接觸器爆炸；冷卻系統(tǒng)損壞后絕緣性降低，容易導(dǎo)致外短路，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。此外火災(zāi)前景，水噴淋裝置誤報觸發(fā)也可能導(dǎo)致電池系統(tǒng)外短路進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。環(huán)境因素主要包括雨水滲入、周圍鍋爐房爆炸等，進(jìn)一步引發(fā)鋰離子電池火災(zāi)事故。在已知的因素中，人為因素是導(dǎo)致電化學(xué)儲能電站事故的主要因素，在90起電化學(xué)儲能電站事故中，有38起事故的直接和間接原因是人為因素，占比43.3%。相關(guān)原因如下。
圖6 鋰離子電池儲能系統(tǒng)安全事故誘發(fā)因素及其交互關(guān)系
圖7 電化學(xué)儲能電站事故致因統(tǒng)計
（1）人員操作失誤：電化學(xué)儲能電站的工作人員可能缺乏相關(guān)的培訓(xùn)，如誤操作、忽視安全規(guī)程等。這些失誤會導(dǎo)致儲能電池出現(xiàn)過充、過放或短路等安全問題。2018年8月，中國某市磷酸鐵鋰電池倉在施工調(diào)試過程中發(fā)生火災(zāi)，事故原因是操作人員反接電池導(dǎo)致過充電。2024年4月，中國某市集裝箱磷酸鐵鋰電池模組發(fā)生火災(zāi)，事故原因是員工施工調(diào)試設(shè)備時誤操作致使消防水泵動作，引發(fā)高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)噴水，造成電池系統(tǒng)內(nèi)磷酸鐵鋰電池遇水短路故障。
（2）安全管理體系不健全：目前，各國正不斷完善電化學(xué)儲能電站的各個階段的法律法規(guī)，隨著儲能技術(shù)的發(fā)展，缺乏有效的安全管理體系和監(jiān)管機(jī)構(gòu)，將導(dǎo)致員工忽視安全管理問題。例如，國家能源局綜合司發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)電化學(xué)儲能電站安全管理的通知》中提出，業(yè)主(項目法人)是電化學(xué)儲能電站安全運行的責(zé)任主體，要將納入備案管理的電化學(xué)儲能電站安全管理納入企業(yè)安全管理體系，健全安全生產(chǎn)保證體系及監(jiān)督體系。建在高山、沿海地區(qū)的EESSs如果管理不善，水分、粉塵、鹽水等不斷侵入電池系統(tǒng)，將導(dǎo)致電池系統(tǒng)絕緣性不斷降低，可能引發(fā)火災(zāi)。在設(shè)計階段，EESSs就應(yīng)建立綜合管理體系。
（3）應(yīng)急響應(yīng)不及時：發(fā)生緊急情況時，若操作人員缺乏有效的應(yīng)急響應(yīng)和處理能力，可能會擴(kuò)大事故。例如，北京“4.16”電化學(xué)儲能電站爆炸事故中，員工缺乏應(yīng)急演練，采用干粉滅火劑撲救南樓的火災(zāi)，不能及時撲滅初期火災(zāi)，導(dǎo)致南樓火勢增大。南樓熱失控氣體通過電纜溝輸送至北樓，這些可燃?xì)怏w在北樓遇到電火花發(fā)生爆炸。
（4）安全意識不足：操作人員和管理人員的安全意識不足，可能會導(dǎo)致人員對潛在安全風(fēng)險的忽視。例如，部分事故中，儲能電池發(fā)生電池組漏液、過熱、冒煙等現(xiàn)象，操作人員并未及時消除熱失控早期的安全隱患。
1.4 事故風(fēng)險評估
為進(jìn)一步確定風(fēng)險因素對電化學(xué)儲能電站火災(zāi)、爆炸事故影響的風(fēng)險等級，利用風(fēng)險矩陣法通過風(fēng)險因素的發(fā)生概率和風(fēng)險影響程度進(jìn)行半定量評估。此方法具有直觀易懂、適用范圍廣、突出重點防范因素等優(yōu)點，因此，本文采用風(fēng)險矩陣法評估風(fēng)險因素的影響大小。根據(jù)調(diào)研得到的儲能電站事故信息，確定儲能電站風(fēng)險類別和風(fēng)險因素，如表3所示。風(fēng)險類別包括人為風(fēng)險、設(shè)備風(fēng)險和環(huán)境風(fēng)險三大類，風(fēng)險因素包括操作不當(dāng)、安裝疏忽、維護(hù)不足、管理不當(dāng)、運營操作環(huán)境管理不善、電池制造瑕疵、電池老化、電池材料缺陷、儲能系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)故障、BMS/PCS/EMS異常、電池過充、消防設(shè)施不足、粉塵多、暴雨、環(huán)境高低溫等15種。
表3 儲能電站風(fēng)險類別和風(fēng)險因素
根據(jù)統(tǒng)計的電化學(xué)儲能電站事故案例，按照15種風(fēng)險因素對90起事故發(fā)生的概率和嚴(yán)重度進(jìn)行等級劃分，并對事故風(fēng)險嚴(yán)重度和事故發(fā)生概率定量和定性分析，如表4和表5所示。
表4 事故風(fēng)險嚴(yán)重度
表5 風(fēng)險因素導(dǎo)致事故發(fā)生概率
德爾菲法又稱專家意見法，是利用定性和定量相結(jié)合的預(yù)測方法，本方法具有專業(yè)性強(qiáng)、匿名性、信息反饋性和統(tǒng)計判斷性等優(yōu)點，本文采用德爾菲法確定嚴(yán)重度。專家組由電池企業(yè)工程師3名、儲能電站安全工程師3人、消防救援人員2名組成，基于專家等權(quán)的原則，采用專家打分的算數(shù)平均值計算事故風(fēng)險嚴(yán)重度，通過公式(1)計算。
其中，Cf0代表事故風(fēng)險嚴(yán)重度專家打分結(jié)果，m分別代表專家的打分結(jié)果，n代表專家的數(shù)量。
Pf0為事故發(fā)生概率，可從事故案例統(tǒng)計結(jié)果獲取數(shù)據(jù)，接著，通過公式(2)計算出風(fēng)險值Rf0，最后，根據(jù)計算出的風(fēng)險值從表6中查出對應(yīng)的風(fēng)險等級。
表6 事故風(fēng)險等級
其中，表中綠色區(qū)間[1，5]代表低風(fēng)險；黃色區(qū)間[6，12]代表中等風(fēng)險；紅色區(qū)間[15，25]代表高風(fēng)險。然而，區(qū)間(5，6)，區(qū)間(12，15)未劃分到風(fēng)險區(qū)域，因此，對區(qū)間進(jìn)行修正，修正后的低風(fēng)險區(qū)間為(1，5]，中等風(fēng)險區(qū)間為(5，10%]，高風(fēng)險區(qū)間為(10，20%]。根據(jù)上述理論基礎(chǔ)，對表3中15種風(fēng)險因素的風(fēng)險值進(jìn)行計算，可得到其風(fēng)險等級情況，計算結(jié)果如表7所示。
表7 儲能電站風(fēng)險因素的風(fēng)險等級
綜上所述，在15個風(fēng)險因素中，儲能系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)故障、電池過充、消防設(shè)施不足、BMS/PCS/EMS異常和環(huán)境高低溫五個風(fēng)險因素為高風(fēng)險因素，從事故發(fā)生的概率和嚴(yán)重程度進(jìn)行驗證，得出的結(jié)果與發(fā)生的事故情況相符。因此，針對這些風(fēng)險因素提出相應(yīng)的防控措施。
2 鋰離子電池儲能電站火災(zāi)爆炸事故防控措施
本文從強(qiáng)化冷卻系統(tǒng)的可靠性、優(yōu)化電池系統(tǒng)防止過充措施、提高安全預(yù)警技術(shù)、提升消防安全技術(shù)水平和優(yōu)化消防救援技戰(zhàn)術(shù)策略五個方面提出鋰離子電池儲能電站火災(zāi)爆炸事故防控措施。
2.1 強(qiáng)化冷卻系統(tǒng)的可靠性
冷卻系統(tǒng)是電化學(xué)儲能電站的重要部件。一方面，冷卻系統(tǒng)可以將電池自身和元器件產(chǎn)生的熱量及時散出，將鋰離子電池系統(tǒng)的溫度控制在安全范圍內(nèi)；另一方面，當(dāng)鋰離子電池發(fā)生熱失控時，冷卻系統(tǒng)可在一定程度上延緩熱失控蔓延的速率，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大。目前常用的冷卻技術(shù)包括風(fēng)冷技術(shù)和液冷技術(shù)，風(fēng)冷技術(shù)是通過自然通風(fēng)和強(qiáng)制對流降低電池系統(tǒng)的溫度。液冷技術(shù)是以水、乙二醇水溶液、空調(diào)制冷劑等液體為介質(zhì)，通過流動的介質(zhì)將電池系統(tǒng)內(nèi)部的熱量及時散出。由于液冷系統(tǒng)冷卻具有均勻性較好、冷卻效率高、壽命長、能耗及故障率低等優(yōu)點，液冷技術(shù)使用率快速攀升。然而，液冷系統(tǒng)的絕緣性要求更高，因為水、乙二醇水溶液一旦泄漏，可能造成電池系統(tǒng)外短路，引發(fā)熱失控甚至火災(zāi)事故。為提升儲能電站冷卻系統(tǒng)的可靠性，需要對冷卻系統(tǒng)的絕緣性、冷卻液流量、溫度等參數(shù)進(jìn)行定期維護(hù)檢查；此外，選用高質(zhì)量且合適的冷卻設(shè)備和材料，選用高質(zhì)量、知名品牌的冷卻設(shè)備，確保其性能的可靠性；研發(fā)先進(jìn)的控制系統(tǒng)對冷卻系統(tǒng)的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，預(yù)測其使用壽命，從而及早發(fā)現(xiàn)并解決問題。同時，還可以優(yōu)化其能源分配，強(qiáng)化儲能電站冷卻系統(tǒng)的可靠性。
2.2 優(yōu)化電池系統(tǒng)防止過充措施
電化學(xué)儲能電站電池過充可能是多種因素造成的，一方面是電池老化導(dǎo)致電池內(nèi)阻變化，引起過電壓現(xiàn)象，相應(yīng)地，需派專員定期對電池進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)電池老化或者損壞，應(yīng)及時更換新電池；另一方面，充電過度可能導(dǎo)致電池的電壓超出安全范圍，當(dāng)鋰離子電池的SOC為20%~80%時，電池充電放電內(nèi)阻均很小，發(fā)熱量隨之降低；同時，在此區(qū)間的鋰離子電池不容易出現(xiàn)過充問題，大大降低了因鋰離子電池過充造成的火災(zāi)風(fēng)險，且在此區(qū)間內(nèi)鋰離子電池的壽命大大延長。此外，外部電源系統(tǒng)故障導(dǎo)致過電壓，應(yīng)配備外部電源保護(hù)裝置，同時需要提高外部電源保護(hù)裝置的可靠性，可通過BMS檢測電池系統(tǒng)的電壓、溫度等參數(shù)，當(dāng)電池系統(tǒng)充電至電壓上限時，充電過程立即停止，確保其在安全范圍內(nèi)。
2.3 提高早期安全預(yù)警技術(shù)
預(yù)警系統(tǒng)是儲能電站安全預(yù)防體系中最重要的部分，電池開始出現(xiàn)故障時發(fā)出預(yù)警信號，通過斷電等措施可完全預(yù)防熱失控和火災(zāi)發(fā)生。儲能電池早期火災(zāi)預(yù)警技術(shù)分為三級：電池表面缺陷及電池故障、早期熱失控和電池早期火災(zāi)預(yù)警。
（1）電池表面缺陷檢測技術(shù)是通過日常安全檢查電池物理狀態(tài)的改變，并利用檢測算法對電池表面特征進(jìn)行檢測。儲能電池故障檢測方法較為常見，利用超聲、反射式傾斜光纖光柵傳感探針、顯微鏡觀察、電化學(xué)阻抗譜等技術(shù)能夠在故障早期及時檢測到故障信號，并發(fā)出預(yù)警信號。但是這些方法尚處于實驗室階段。
（2）儲能電池?zé)崾Э卦缙诘桨l(fā)生火災(zāi)期間，大量特征參數(shù)會發(fā)生明顯變化，出現(xiàn)電壓升高、阻抗異常、溫度驟升、膨脹鼓包、熱失控氣體釋放、安全閥破裂等現(xiàn)象。儲能電站目前的預(yù)警技術(shù)通過電信號、熱信號、氣體信號、聲信號、煙霧信號進(jìn)行預(yù)警。電信號和熱信號可通過電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)，當(dāng)某一特征參量超過閾值時發(fā)出預(yù)警信號，以實現(xiàn)早期安全預(yù)警的功能，此預(yù)警技術(shù)操作簡單，在儲能電站建設(shè)時已廣泛應(yīng)用。由于電池內(nèi)外溫差大，且電池模組的溫度很難檢測到，因此，溫度信號預(yù)警技術(shù)存在較大的局限性和滯后性。Li等提出一種在線阻抗檢測用于鋰電池早期預(yù)警，可以實現(xiàn)不同熱失控過程的精準(zhǔn)預(yù)警。有研究表明過充誘發(fā)磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э剡^程中，與碳酸乙烯酯、CO和CO2氣體相比，H2含量最高且最先被氣體探測器感知，且H2探測技術(shù)聯(lián)合斷電可有效抑制電池簇內(nèi)部熱量集聚，此方法可實現(xiàn)熱失控早期預(yù)警，且裝置成本較低，目前在部分儲能電站已經(jīng)有所應(yīng)用，通過監(jiān)測熱失控過程中不同氣體的響應(yīng)速度，可將H2、CO、CO2作為一級預(yù)警氣體，HCl、HF作為二級預(yù)警氣體。為避免電池內(nèi)部壓力過大，電池頂部設(shè)置有安全閥，熱失控前期安全閥打開的聲音可以作為特征聲音被捕捉和識別，熱失控排氣聲音信號預(yù)警技術(shù)在少量數(shù)據(jù)的情況下達(dá)到了92.31%的準(zhǔn)確率，當(dāng)聲音信號預(yù)警系統(tǒng)采集到電池排氣聲信號采取斷電措施，可有效阻止電池?zé)崾Э芈?，此預(yù)警技術(shù)具有實施方便、成本低等優(yōu)點，目前已經(jīng)在兆瓦級儲能電站應(yīng)用示范?；谝陨铣晒?，采用四個聲學(xué)傳感器可以實現(xiàn)電池故障報警和定位，定位誤差為0.1 m，本方法安裝較為簡便，成本低，因此在儲能電站預(yù)警中具有良好的應(yīng)用前景。電池火災(zāi)早期預(yù)警是通過探測早期火災(zāi)特征參數(shù)進(jìn)行預(yù)警，比如白色汽化電解液、高溫?zé)煔?、火焰等特征，唐文杰等提出了一種基于氣液逸出物圖像識別的電池火災(zāi)早期預(yù)警方法，該方法在實際鋰電池儲能艙汽化電解液具有良好的效果，平均精準(zhǔn)度達(dá)到83.65%；美國Nexceris公司利用此技術(shù)研發(fā)了SnO2基陶瓷半導(dǎo)體氣體傳感器；王春力等分析了儲能電池?zé)崾Э剡^程，提出了典型的電化學(xué)儲能電站火災(zāi)探測報警系統(tǒng)，目前基于氣液溢出物圖像識別的電池儲能系統(tǒng)早期預(yù)警技術(shù)十分成熟，但此階段的預(yù)警相對比較滯后。
（3）單一的預(yù)警方法一般無法滿足儲能電站安全預(yù)警的準(zhǔn)確率和有效性，通過綜合考慮多因素融合技術(shù)，是儲能電站早期安全預(yù)警未來發(fā)展的方向。有學(xué)者通過實驗驗證了優(yōu)化設(shè)計集裝箱式鋰離子電池儲能系統(tǒng)消防安全早期預(yù)警方法，此方法考慮電信號、聲音信號和表面檢測綜合參量的變化，比傳統(tǒng)電池儲能系統(tǒng)早期預(yù)警方法提升了2.0%的準(zhǔn)確率，且優(yōu)化設(shè)計早期預(yù)警方法的漏警率和誤警率降低了0.9%以上，劉同宇等將溫度、特征氣體、煙霧和揮發(fā)性有機(jī)化合物傳感器耦合，可提前15 min預(yù)警目標(biāo)磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э兀灰虼?，在提高儲能電站安全預(yù)警的精度和準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，降低成本是儲能電站預(yù)警的戰(zhàn)略方向，比如，采用BMS-聲信號、BMS-特征氣體、BMS-力信號多維度的預(yù)警技術(shù)，減少誤報、漏保、準(zhǔn)確低等問題，此外，基于大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、算法優(yōu)化等技術(shù)的主動監(jiān)測技術(shù)對儲能電站的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行安全監(jiān)測，從而在電池故障發(fā)生的初期就進(jìn)行預(yù)警，提高儲能電站早期安全預(yù)警，并在事故發(fā)生時，使用聯(lián)合消防系統(tǒng)，實現(xiàn)有效滅火，同時進(jìn)行報警，實現(xiàn)對電化學(xué)儲能電站火災(zāi)的監(jiān)測與智能研判功能。
2.4 提升消防安全技術(shù)水平
造成電化學(xué)儲能電站消防設(shè)施不足的原因包括多方面。目前，鋰離子電池儲能電站消防安全標(biāo)準(zhǔn)不足，僅有中國電力企業(yè)聯(lián)合會發(fā)布的團(tuán)隊標(biāo)準(zhǔn)T/CEC 373—2020《預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術(shù)規(guī)范》，此標(biāo)準(zhǔn)對電站的消防設(shè)計、建設(shè)和運維技術(shù)提出了技術(shù)要求。2024年9月30日，廣東省消防救援總隊印發(fā)了《電化學(xué)儲能電站消防安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)》，此標(biāo)準(zhǔn)適用于廣東省新建、改建或者擴(kuò)建的固定式電化學(xué)儲能電站，應(yīng)加快建設(shè)鋰離子電池儲能電站消防安全標(biāo)準(zhǔn)體系。其次，針對電化學(xué)儲能電站火災(zāi)的應(yīng)對策略包括水噴淋以及七氟丙烷、全氟己酮、干粉等常規(guī)的滅火劑，七氟丙烷滅火效果有限，全氟己酮、干粉可以撲滅明火但無法抑制復(fù)燃，消防用水或者水噴淋系統(tǒng)可以有效冷卻電池系統(tǒng)，但無法完全撲滅火焰，另外，消防用水作為一種優(yōu)良導(dǎo)體會引發(fā)電池系統(tǒng)短路。缺乏針對性的消防滅火劑，常規(guī)的滅火劑無法實現(xiàn)既能快速滅火，又能高效降溫以及解決爆炸的問題；國內(nèi)的電化學(xué)儲能電站大多采用磷酸鐵鋰電池，根據(jù)上文的分析，磷酸鐵鋰電池?zé)崧铀俣容^慢，具有爆炸風(fēng)險，滅火劑的設(shè)計應(yīng)注重滅火，同時要考慮吸附或惰化可燃性氣體，進(jìn)而降低電化學(xué)儲能電站爆炸的風(fēng)險。
2.5 優(yōu)化消防救援技戰(zhàn)術(shù)策略
電化學(xué)儲能電站發(fā)生火災(zāi)時，存在較多處置難點，如火場溫度高、煙氣濃度大，能見度低，火源不易查明。電池燃燒會產(chǎn)生有毒濃煙與易燃易爆氣體，給消防人員的滅火工作帶來較大困難。首先，消防救援隊伍需了解電站的電池類型、運行原理、分類構(gòu)成、電站結(jié)構(gòu)等信息。在消防救援行動中，對于事故現(xiàn)場有人員被困的情況，須采取“救人第一、科學(xué)施救”的原則，同步進(jìn)行人員搜救、冷卻降溫、堵截火勢等行動；若消防現(xiàn)場無人員被困，則可采取“外部防控、冷卻降溫、遠(yuǎn)程監(jiān)測、聯(lián)合評估”的措施；針對電擊、爆炸、中毒等情況，組織人員撤離至安全區(qū)域，穿戴防護(hù)套裝，使用監(jiān)測設(shè)備對電站集裝箱內(nèi)部的溫度和氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測，防止爆炸對消防員的人身安全帶來危害，使用滅火機(jī)器人、移動水炮等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離滅火降溫工作。此外，開展儲能電站火災(zāi)事故調(diào)查的研究，需要通過現(xiàn)場勘探、分析事故發(fā)生過程、消防救援情況、火災(zāi)成因分析以及試驗和仿真驗證等方面，加強(qiáng)消防救援情況的研究，優(yōu)化消防救援技術(shù)，形成一套技術(shù)方案，靈活處置事故。
3 結(jié)論
通過調(diào)研全球90起涉及鋰離子電池電化學(xué)儲能電站事故，并從儲能電池類型、發(fā)生事故的國家、事故發(fā)生時電化學(xué)儲能電站運行狀態(tài)、事故致因4個方面進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用德爾菲法結(jié)合風(fēng)險矩陣法對15種風(fēng)險因素進(jìn)行評估，得出高風(fēng)險因素，提出針對性防控措施，主要得出以下結(jié)論。
（1）2017年11月至2024年9月期間，包括韓國、美國、中國在內(nèi)的10個國家均發(fā)生過電化學(xué)儲能電站事故，其中，韓國是發(fā)生電化學(xué)儲能電站事故最多的國家，共發(fā)生了34起事故，美國也發(fā)生了25起事故，事故數(shù)量僅次韓國；由三元鋰電池引發(fā)的儲能電站事故數(shù)量是由磷酸鐵鋰電池引發(fā)的事故數(shù)量的2倍以上；72起事故均發(fā)生在電化學(xué)儲能電站正常運行期間；38起事故的直接因素為人為因素，占比高達(dá)43.3%，設(shè)備因素占比高達(dá)32.2%。
（2）通過事故篩選出15個風(fēng)險因素，包括電池制造瑕疵、電池老化、電池材料缺陷、儲能系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)故障、BMS/PCS/EMS異常、電池過充、消防設(shè)施不足、操作不當(dāng)、安裝疏忽、維護(hù)不足、管理不當(dāng)、運營操作環(huán)境管理不善、粉塵多、暴雨、環(huán)境高低溫等。以德爾菲法和風(fēng)險矩陣法評估風(fēng)險因素，得出冷卻系統(tǒng)故障、電池過充、消防設(shè)施不足、BMS/PCS/EMS異常、環(huán)境高低溫五個風(fēng)險因素為高風(fēng)險因素。
（3）針對高風(fēng)險因素，應(yīng)從強(qiáng)化冷卻系統(tǒng)的可靠性、優(yōu)化電池系統(tǒng)防止過充措施、提高早期安全預(yù)警安全技術(shù)、提升消防安全技術(shù)水平、優(yōu)化消防救援技戰(zhàn)術(shù)策略五個方面提升電化學(xué)儲能電站整體安全性。
此外，為強(qiáng)化EESSs系統(tǒng)性安全，還應(yīng)從電芯的設(shè)計和制造入手，提升其本質(zhì)安全；完善安全生產(chǎn)管理制度，頒發(fā)強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)禁止破損電池進(jìn)入儲能電站；加大超早期預(yù)警技術(shù)研究力度，做到事故前數(shù)周預(yù)警；研發(fā)高效、冷卻、防爆、絕緣多功能的專用滅火劑和開展電池簇級消防測試，為電化學(xué)儲能電站安全、快速、長期發(fā)展提供技術(shù)保障。
