? 近年來，儲(chǔ)能電站火災(zāi)爆炸事故屢見不鮮，據(jù)統(tǒng)計(jì)，過去一年全世界發(fā)生儲(chǔ)能電站火災(zāi)超過30起。其中2017年8月至今，僅韓國(guó)就發(fā)生了29起儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故。此外，2019年4月19日，美國(guó)亞利桑那州發(fā)生電池儲(chǔ)能項(xiàng)目爆炸，導(dǎo)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(tái)區(qū)發(fā)生一起儲(chǔ)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?；馂?zāi)造成直接財(cái)產(chǎn)損失1660．81萬元?？梢妰?chǔ)能電站一旦發(fā)生事故是多么的可怕。
電化學(xué)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)具有廣闊前景，但在熱失控時(shí)，可能引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸，并產(chǎn)生有毒氣體，造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。工采網(wǎng)小編為大家介紹電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故的特點(diǎn)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(fēng)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(zhǎng)、工作電壓高、能量密度高、自放電小等優(yōu)點(diǎn)，成為電化學(xué)儲(chǔ)能的主力。根據(jù)《國(guó)家發(fā)展改革委 國(guó)家能源局關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》（發(fā)改能源規(guī)〔2021〕1051號(hào)），到2025年，新型儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模將達(dá)3000萬千瓦以上，因此，電化學(xué)儲(chǔ)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(huì)發(fā)生熱失控。熱失控時(shí)，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?xì)怏w，并有可能引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸。同時(shí)，有毒氣體也會(huì)對(duì)人們的生命安全造成威脅，進(jìn)而造成大量的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，為了防止電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故的發(fā)生，需要有效的防控手段。
電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)特點(diǎn)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(fù)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(jìn)一步升高，同時(shí)也促進(jìn)了后續(xù)放熱反應(yīng)的發(fā)生。
當(dāng)電池溫度達(dá)到熱失控臨界溫度時(shí)，電池發(fā)生熱失控，在短時(shí)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(shí)迅速?gòu)?30℃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(dá)到800～900℃，甚至1000℃。
2.伴隨猛烈射流火 燃燒劇烈
儲(chǔ)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?xì)怏w。隨著可燃?xì)怏w的不斷積聚，電池內(nèi)部壓力逐漸增加，當(dāng)電池內(nèi)部壓力達(dá)到電池安全閥破裂閾值時(shí)，電池安全閥破裂，大量的可燃?xì)怏w和電池內(nèi)部材料被噴射出。
當(dāng)電池發(fā)生熱失控時(shí)，在電池極高溫度的作用下，可燃?xì)怏w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，火焰高度高可以達(dá)到1米。
3.熱失控易傳播
在儲(chǔ)能電站中，電池緊密排列在一起形成模組。當(dāng)模組中的一節(jié)電池發(fā)生熱失控時(shí)，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(duì)相鄰電池的熱輻射增加，相鄰電池的溫度進(jìn)一步升高，直至發(fā)生熱失控，電池在模組中發(fā)生熱失控傳播。
4.氣體具有爆炸性
電池?zé)崾Э貢r(shí)，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?xì)怏w會(huì)在燃燒中消耗，還有部分未燃燒的會(huì)積聚在模組內(nèi)部，隨著模組中熱失控傳播的不斷擴(kuò)展，模組中可燃?xì)怏w越來越多，造成模組壓力增加，可能會(huì)因壓力過大發(fā)生物理爆炸。
此外，可燃?xì)怏w的濃度逐漸增加，當(dāng)達(dá)到混合可燃?xì)怏w的爆炸極限，即超過爆炸下限6.1%時(shí)，熱失控電池的高溫作為點(diǎn)燃源，當(dāng)遇到足夠的氧氣時(shí)，可燃?xì)怏w會(huì)發(fā)生化學(xué)爆炸，zui大爆炸壓力可以達(dá)到0.76MPa，巨大的爆炸壓力可以對(duì)電池簇、集裝箱造成嚴(yán)重的破壞，進(jìn)而帶來經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡。例如在北京豐臺(tái)“4·16”儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故中，由于儲(chǔ)能電站發(fā)生了爆炸，導(dǎo)致2名消防人員死亡。
5.氣體具有毒性
電池?zé)崾Э禺a(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(shí)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(shí)，CO濃度高可以達(dá)到250ppm以上，已經(jīng)可以對(duì)人體產(chǎn)生嚴(yán)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(dòng)數(shù)分鐘便有致死的風(fēng)險(xiǎn)。而一節(jié)容量為20Ah的100%SOC磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э貢r(shí)，HF高濃度約為145ppm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于所規(guī)定的HF安全濃度。而儲(chǔ)能電站一個(gè)集裝箱中，有成百上千節(jié)電池，熱失控時(shí)將會(huì)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(xiǎn)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(shí)發(fā)現(xiàn)預(yù)防鋰電池失控的方法呢？
電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)早期探測(cè)和預(yù)警
在電池火災(zāi)前期，進(jìn)行有效準(zhǔn)確地探測(cè)并預(yù)警，采取相應(yīng)的消防手段，防止火災(zāi)的進(jìn)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(jìn)行預(yù)警。當(dāng)電池安全閥打開時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的氣體和煙霧，如CO的體積分?jǐn)?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(jī)化合物（VOC）等，在安全閥打開時(shí)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(zāi)探測(cè)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(yù)警閾值，將多種特征參數(shù)進(jìn)行耦合，當(dāng)不同傳感器參數(shù)達(dá)到所設(shè)閾值時(shí)，發(fā)出警報(bào)，實(shí)現(xiàn)鋰離子電池火災(zāi)早期探測(cè)和預(yù)警，并根據(jù)警報(bào)采取相應(yīng)的控制措施，防止鋰離子電池火災(zāi)的進(jìn)一步擴(kuò)大。
此外，應(yīng)根據(jù)量程和靈敏度，選取適當(dāng)?shù)膫鞲衅骱吞綔y(cè)器，同時(shí)設(shè)置冗余系統(tǒng)，保證電站火災(zāi)早期探測(cè)和預(yù)警裝置的準(zhǔn)確響應(yīng)。
我們可以從動(dòng)力鋰電池?zé)崾Э貢r(shí)產(chǎn)生的大量氣體入手，鋰離子電池熱失控的時(shí)候，電池內(nèi)部會(huì)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(dǎo)致我們?nèi)毖跎踔林舷?。所以我們可以通過檢測(cè)一氧化碳的濃度來判斷電池?zé)崾Э?。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(fèi)加羅研發(fā)的可電池驅(qū)動(dòng)的電化學(xué)式傳感器，使用一個(gè)特殊的電極取代了儲(chǔ)水器，由于去除了TGS5042中使用的儲(chǔ)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(duì)CO的靈敏度高、將CO濃度線性輸出，設(shè)計(jì)方便，自帶出廠預(yù)標(biāo)定靈敏度系數(shù)，方便用戶使用與性能追溯，壽命長(zhǎng)達(dá)10年以上。
畢竟是事關(guān)我們的生命安全，對(duì)于精度還是有要求的，測(cè)量不準(zhǔn)的話又怎么能給出正確的警報(bào)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(duì)應(yīng)的輸出電流可以參考下圖。
同時(shí)我們也要關(guān)注傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，這就要求傳感器壽命足夠長(zhǎng)，更要求傳感器輸出長(zhǎng)期穩(wěn)定，不然會(huì)使報(bào)警值改變，造成早報(bào)晚報(bào)甚至不報(bào)等情況了。TGS5141的壽命長(zhǎng)達(dá)十年以上，長(zhǎng)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(shí)間點(diǎn)300ppm一氧化碳中的輸出電流（I）和測(cè)試第一天300ppm一氧化碳中的輸出電流（Io）的比值。）
儲(chǔ)能電站內(nèi)會(huì)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(bào)的，所以這個(gè)傳感器要求對(duì)CO靈敏度高，對(duì)其他氣體的靈敏度越低越好。TGS5141就很好，對(duì)大部分氣體的靈敏度都是非常低的，對(duì)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(duì)TGS5141做出了溫度補(bǔ)償系數(shù)表，OEM客戶可以直接利用補(bǔ)償系數(shù)對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而使傳感器在不同溫度下也能有高精度的輸出。補(bǔ)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(cái)產(chǎn)安全添加一層保障。
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