锂离子电池近年储能安全事故分析


来 源: 原创 作 者: 罗旋 发表在: 资讯 发表时间: 2022-04-26 15:27:35

       就在2022年4月18日,位于美国亚利桑那州的钱德勒锂电池存储设施开始发生冒烟和闷烧情况并触发火警,该情况以及持续近一个星期,当地消防部门使用机器人不断打开存储设施以排出设施内部产生的化学物质。据相关新闻报道,该设施由Applied Energy Services (AES)所有,其内部有存放超过 3200 块锂离子电池,总能量为10MW,具体起火原因还在调查之中。据AES有关负责人设施内部的灭火系统一直在工作,但是情况并没有改善,冒烟和闷烧的情况已经一直在持续,致使当地四分之一英里范围内的民众开始进行紧急疏散,当地消防部门也在密切关注该锂电池存储设施的进一步情况,这也再一次让当地民众对这种清洁能源的安全性提出了质疑。

     锂离子电池作为新能源动力电池的代表已经掀起了动力电池汽车发展浪潮的新革命,因此更多的人也在思考其在储能上的应用潜力与可能性。目前,随着锂离子电池技术的不断发展,锂离子电池在储能上的发展十分迅速,其应用也已经步入商业化运行阶段,但伴随着锂离子电池燃爆事故的层出不穷,人们对其安全性的忧虑始终是其大规模应用与快速发展的一大门槛与阻碍。在之前的文章中,已经从反应机理上剖析了锂离子电池内部具有很强的燃爆条件,其内部的易燃性材料如低熔点可燃有机脂类化合物、石墨负极材料都会成为相应的“燃料”,在充放电以及运行过程中不当的热管理将成为锂电池安全事故的最终导火索,引发燃爆事故,下图对热失控的引发过程做了形象的展示。

图源于网络

     目前,由于锂离子电池由于其较高的能量密度,较长的使用寿命,被广泛用作动力电池,也被视作新能源电动汽车的核心部件。然而,近些年屡屡可以听到锂离子电池燃爆事故的相关报道。电动学堂研究报告对2014-2019年电动车燃爆原因进行了总结,文中列出的电动车燃爆主要原因包括:电池自燃、汽车碰撞、设备故障、充电、线缆老化、零部件短路、浸水以及人为操作因素(具体占比如图所示),在这些因素的作用下引起电动车的热失控,从而产生爆炸。据中国应急管理部消防救援局报道,2021年1月至2021年7月,有总计6462起电动车起火爆炸事故,平均每个月有超过900例电动车事故,80%的电动自行车火灾发生在充电时,绝大部分事故由于锂电池燃爆引起。据新能源汽车国家大数据联盟报道,相比2019年,2020年起火事故增幅达47%,共发生124起而2021年上半年有报道记录56起电动汽车起火爆炸事件。随着新能源汽车的逐步推广,锂离子电池燃爆事故所引发公众对其的焦虑有增无减。

     而锂电池储能站方面也有相当的起火燃爆事件的报道。据不完全统计,近10年间,全球共发生超过30起储能电站起火爆炸事故,据全国能源信息平台报告不完全统计,全球共发生32起储能电站起火爆炸事故,其中,日本1起、美国2起、比利时1起、中国3起、韩国24起。并且储能电站起火爆炸具有一定特点,主要包括:事故电池种类多为三元锂离子电池,且大都发生在充电及充电休止期间,韩国的储能电站起火爆炸事故发生数量最为突出,可能也与其三元锂离子电池为主流应用有关。本文将着力于对近三年主要的锂离子电池储能领域严重的燃爆事故进行较为细致的总结与梳理,主要包括:美国McMicken BESS储能电站燃爆事故、韩国的忠清南道洪城“光伏+储能”系统发生起火爆炸事故、北京集美大红门25MWh直流光储充一体化项目发生火灾爆炸事故、“维多利亚大电池”(VBB)项目起火事故以及莫斯兰丁锂离子储能站设施电池融化事件。

图源于网络

     2019年6月11日,韩国通商产业资源部公布了韩国高发的储能电站火灾调查结果,其结果报告对事故原因并没有进行准确认定,而是归因于由于是世界上首次的大规模储能电站的投入应用而导致的无法确定的因素。在报告的23个起火电站中,电池制造商LG化学供应了12个,三星SDI有8个,另外3个由其它电池制造商供应。在报告中事故的可能原因被归纳为以下方面:

(1)电池系统缺陷:当电池系统制造中存在缺陷的情况下,在电池过充时,因电池内部短路火灾发生可能性会变高;

(2)针对电冲击的保护体系不完善:当过电压或过电流流经电池系统时,可能引发电池短路而引发电池起火;

(3)运营环境管理及设置不周:安装在山地或海边的储能装置在高昼夜温差下,引发反复冷凝现象以及灰尘吸附,进而可能导致电池和模块外壳间的接地部分绝缘层损坏,引起火灾;

(4)储能系统综合管理体系欠缺:储能电站缺乏综合的系统进行设计和保护也是起火问题的重要原因。

     当地时间2019年4月19日,美国亚利桑那州最大的电力公司亚利桑那州公共服务公司 (APS)旗下的McMicken BESS储能电站发生起火爆炸事故并造成四人重伤。该储能电站由2016年6月开始建设,至2017年3月正式投入运行,规模为2 MW / 2 MWh,储能集装箱内总共27个电池架,每个电池架14个锂离子电池模块堆叠放置,每个电池模块放置内28个锂离子电池。该系统在安全运行25个月后发生起火爆炸。据Utility Arizona Public Service发布的事故调查报告显示,该储能站工程总承包商为AES Corporation (AES),电池供应商为LG Chem,其所使用的电池类型为镍锰钴三元锂电池(NMC),能量密度超过200Wh/kg,为电池架上的一个电池运行发生故障导致热失控现象导致。该电池故障原因被认定为由电池内部缺陷导致,锂离子电池运行中锂金属不寻常的沉积与枝晶生长,在该电池失效并发生热失控后,储能集装箱内部安装的针对明火的灭火系统无法抑制锂电池的热失控,并且由于每个单独电池架上的电池间没有阻热材料,热量通过传导到该放置架的每一个电池,并放出易燃气体,并达到爆炸浓度。该易燃气体在消防员打开集装箱箱门时与空气接触引发爆炸。研究也报道了其它电池架由于合适安全放置距离并没有受到事故电池影响(储能集装箱构件安装示意图如下所示)。锂电池枝晶是众所周知的锂离子电池失效模式,但很少出现在只运行了大约两年的储能电池上。

储能集装箱构件安装示意图1

储能集装箱构件安装示意图2

McMicken BESS储能电站事故后照片

     当地时间2021年4月6日位于韩国的忠清南道洪城光伏+储能系统发生起火爆炸,该储能系统于2018年安装并投入运行,拥有3.4MW的光伏发电能力和10MWh的储能能力,爆炸摧毁了0.5MW的储能电池,据了解,该储能电站的锂离子电池电芯供应商为LG新能源。根据韩国方面公布的调查结论,本次锂电池火灾的起因包括电池过流过压保护不足、运行环境(湿度和灰尘)及安装工艺有待改进、ESS经验不足等三大原因。

韩国的忠清南道洪城光伏+储能系统起火爆炸照片

     北京时间2021年4月16日,位于丰台区西马场甲14号的北京集美大红门25MWh直流光储充一体化项目发生火灾爆炸,事故造成3人遇难,1人重伤。该项目开发商为北京福威斯油气技术有限公司,项目自2017年10月开始建设,2019年3月完成一期工程交付并投入运行,并于2021年5月开始二期建设改造,事发前正处于设备调试阶段,是北京市中心最大规模的商业用户侧储能电站,北京市最大的光储充示范项目工程。据官方发布的《丰台区4.16较大火灾事故调查报告》,已投入使用的一期规模包括屋顶分布式光伏1.4MW、4MW/12MWh储能以及12.5MWh充电桩。该事故中的南楼起火被认定的直接原因为由于电池间内的磷酸铁锂电池发生内短路故障,引发电池热失控起火。报告中也报道了随后开展的相关实验发现磷酸铁锂电池热失控会产生喷射物,主要为碳酸甲乙酯蒸汽和氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等,这些里面绝大部分是易燃气体。而北楼爆炸直接原因被认定为受南楼热失控影响而产生的易燃易爆组分通过电缆沟进入北楼储能室并扩散,与空气混合形成爆炸性气体,遇电气火花发生爆炸。据电科院发布的《北京集美大红门25MWh直流光储充一体化电站项目事故分析》,该电站所用电池为国轩高科的磷酸铁锂电池对于其电池热失控原因电科站报告指出由于获得信息有限,无法做出准确定论。但可能的原因就是电池内部的电芯缺陷或者长期充放电下导致的枝晶锂引发电池段落,也可能是外部电、热冲击导致电池内部的不可逆放热进而造成电池热失控。其也在建议中提到需要加快新型本征安全储能电池,切实保障储能电站安全运行。

北京集美大红门25MWh直流光储充一体化项目火灾爆炸现场

     当地时间2021年7月30日上午10点15分,位于澳大利亚维多利亚州的当时世界上最大的储能项目之一“维多利亚大电池”(VBB)项目所装载的特斯拉Megapack储能系统在施工建设期间发生起火事故。“维多利亚大电池”项目力求帮助澳大利亚维多利亚州实现到到2025年40%可再生能源以及到2030年50%的可再生能源目标,该项目由2020年12月开始施工建设,并在2021年12月8日正式开始投入运营。该项目由212个Tesla Megapacks组成,项目规模为300 MW/450 MWh。维多利亚能源安全局官方调查报告显示,起火原因最先被确定为由于电池舱外部的冷却剂泄漏所引起的两个特定位置同时的电池电路短路,该故障属于罕见类故障,因此故障并没有被及时检测到从而引发火灾,火灾涉及两个集装箱系统缓慢自燃,并没有引发爆炸。另外两家机构Fisher Engineering Inc (FEI) 和ESRG的独立报告也对事故原因做出了相同的报告,认为该事故的主要原因是由于冷却剂的泄露导致的锂电池热管理失控,并且可能在风力作用下引发相邻的另外一个储能系统燃烧。特斯拉方面也表示会加强连接固件管理以及完成监控和流程改进,完善针对此类罕见事件的可检测性和相关故障处理机制。该项目法国可再生能源生产商Neoen拥有并运营管理,由特斯拉公司作为工程总承包商。项目所使用的电池为特斯拉公司的Megapack,该锂电池储能系统由电池模块、发电器件、热管理系统以及控制系统构成,每个单元可以存储超过 3 MWh 的能量,置于7.2m *1.6 m* 2.5 m的集装箱内,据有关报道Megapack系统目前使用的是方形磷酸铁锂电池,由于不需要镍、钴的使用以降低电池成本。

维多利亚大电池燃爆事故现场图片

     此外,今年2月份,位于加利福尼亚州Vistra Energy旗下的世界上规模最大的莫斯兰丁锂离子储能站设施由于10个电池组完全融化而触发了火警,由于冷却装置及时对电池进行了冷却处理,因此没有造成更大的灾情。Vistra Energy此次电池组融化事件距离2021年9月份的融化事件的发生不到5个月,当时被融化的电池组高达7000个,占全部近100000个电池组的7%。据Vistra Energy在今年1月份发布的声明中提到,去年9月所发生的电池组融化事件是由于热管理系统在极低的烟雾水平下错误启动,并且系统中部分柔性软管和管道上的少数接头发生故障引发系统错误地进行喷水降温,造成电池损坏而出现过热现象。该事故部分电站规模为300MW/1200MWh二期电站(100MW/400MWh)并未受到影响。据其官方声称该低水平烟雾的产生是由于空气处理装置中的轴承故障,烟雾的产生并非电池的缘故。莫斯兰丁锂离子储能站一期工程于2018年11月开始建设,2020年12月开始投入运营,二期工程2020年9月开工,2021年7月交付调试。其电池供应商为LG新能源,其生产电池种类主要以镍钴锰三元锂电池为主。系统集成和工程承包商为Fluence,其目前总规模容量为400MW/1600MWh,也是世界上最大的电池存储设施,今年2月份的电池融化现象还在进一步调查之中。

     随着发电侧的储能规模越来越大,安全要求越来越高。改善锂电池的安全管理是一种选择,但是更安全的液流电池、压缩空气等新型储能将得到更多的市场机会。

参考资料: 

[1] Arizona Public Service. McMicken Battery Energy Storage System Event Technical Analysis and Recommendations[R]. America:Arizona Public Service,2020.

[2] 北京市应急管理局. 丰台区“4.16”较大火灾事故调查报告[R]. 北京:北京市应急管理局,2021.

[3] 中国电力科学院研究有限公司. 北京集美大红门25MWh直流光储充一体化电站项目事故分析[R]. 北京:中国电力科学院研究有限公司,2021.

[4] ANDY BLUM, PE, CFEI. Victorian Big Battery Fire: July 30, 2021[R]. Australia:Fisher Engineering, Inc.,2021.


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